دیود زنر (Zener Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود زنر (Zener Diode) :
دیود زنر نوع خاصی از دیود پیوند PN است که برای کار در ناحیه شکست معکوس (Reverse Breakdown Region) طراحی شده است. برخلاف دیودهای معمولی که در ناحیه شکست معکوس آسیب می بینند، دیود زنر به گونه ای ساخته می شود که بتواند در این ناحیه بدون آسیب کار کند و ولتاژ دو سر خود را تقریبا ثابت نگه دارد. این ویژگی آن را به یک قطعه ایده آل برای تثبیت ولتاژ (Voltage Regulation) تبدیل کرده است.
مکانیزم شکست در دیودهای زنر می تواند دو نوع باشد: شکست زنر (Zener Breakdown) و شکست بهمنی (Avalanche Breakdown). در دیودهای با ولتاژ پایین (کمتر از ۵.۶ ولت)، مکانیزم غالب شکست زنر است که در آن میدان الکتریکی قوی باعث می شود الکترون ها مستقیما از پیوند کووالانسی جدا شوند. در دیودهای با ولتاژ بالا (بیشتر از ۵.۶ ولت)، مکانیزم غالب شکست بهمنی است. دیودهای با ولتاژ حدود ۵.۶ ولت ترکیبی از هر دو مکانیزم را دارند و معمولا بهترین پایداری حرارتی را نشان می دهند.
مهم ترین پارامتر دیود زنر، ولتاژ زنر (Zener Voltage - V_Z) است. این ولتاژ ولتاژی است که دیود در ناحیه شکست معکوس، آن را تثبیت می کند. دیودهای زنر در طیف وسیعی از ولتاژها از ۱.۸ ولت تا چند صد ولت تولید می شوند. تلورانس ولتاژ زنر معمولا ۵٪ یا ۱۰٪ است، اما برای کاربردهای دقیق، انواع با تلورانس ۲٪ یا ۱٪ نیز موجود است.
پارامتر مهم دیگر، مقاومت دینامیک زنر (Zener Dynamic Resistance - r_z) است. این پارامتر نشان می دهد که با تغییر جریان عبوری از دیود، ولتاژ دو سر آن چقدر تغییر می کند. مقاومت دینامیک پایین به معنای تثبیت ولتاژ بهتر است. رابطه ولتاژ-جریان در ناحیه شکست تقریبا به صورت زیر است:
\[ V_Z = V_{Z0} + I_Z \cdot r_z \]در این رابطه،
\[ V_{Z0} \]ولتاژ آستانه شکست (ولتاژ در جریان صفر) و
\[ r_z \]مقاومت دینامیک است. هرچه
\[ r_z \]کوچکتر باشد، دیود زنر ایده آل تر عمل می کند. این پارامتر معمولا در دیتاشیت دیود در یک جریان تست مشخص (
\[ I_{ZT} \]) داده می شود.
کاربرد اصلی دیود زنر در مدارات تثبیت کننده ولتاژ (Voltage Regulators) است. ساده ترین مدار تثبیت ولتاژ با زنر، یک مقاومت سری و دیود زنر موازی با بار است. مقاومت سری جریان را محدود می کند و دیود زنر ولتاژ خروجی را در
\[ V_Z \]تثبیت می کند. با تغییرات ولتاژ ورودی یا جریان بار، تغییرات جریان توسط دیود زنر جذب می شود و ولتاژ خروجی تقریبا ثابت می ماند.
از دیودهای زنر همچنین به عنوان مرجع ولتاژ (Voltage Reference) در مدارات دقیق مانند مبدل های آنالوگ به دیجیتال و منابع تغذیه تثبیت شده استفاده می شود. در این کاربردها، از دیودهای زنر با ضریب دمایی پایین (Temperature Compensated Zener) استفاده می شود که معمولا با ترکیب یک دیود زنر با یک دیود معمولی در یک بسته، ضریب دمایی نزدیک به صفر دارند.
کاربرد دیگر دیود زنر در مدارات محدودکننده ولتاژ (Voltage Clipping) یا محافظ ولتاژ (Voltage Protection) است. برای مثال، برای محافظت از ورودی یک مدار حساس در برابر ولتاژهای بیش از حد، می توان از یک دیود زنر به موازات ورودی استفاده کرد. اگر ولتاژ ورودی از
\[ V_Z \]فراتر رود، دیود زنر وارد ناحیه شکست شده و ولتاژ را در همان مقدار محدود می کند.
ضریب دمایی (Temperature Coefficient) دیود زنر یکی دیگر از پارامترهای مهم است. این ضریب نشان می دهد که با افزایش دما، ولتاژ زنر چقدر تغییر می کند. دیودهای زنر با ولتاژ پایین (زیر ۵ ولت) معمولا ضریب دمایی منفی دارند (با افزایش دما، ولتاژ کاهش می یابد). دیودهای با ولتاژ بالا (بالای ۶ ولت) ضریب دمایی مثبت دارند. دیودهای با ولتاژ حدود ۵.۶ ولت ضریب دمایی نزدیک به صفر دارند.
از نظر توان، دیودهای زنر در توان های مختلف از ۲۵۰ میلی وات (مانند BZX55) تا چند ده وات (مانند ۱N53xx) تولید می شوند. حداکثر توان مجاز (
\[ P_{Z(max)} \]) برابر است با حاصل ضرب ولتاژ زنر در حداکثر جریان مجاز (
\[ P_{Z(max)} = V_Z \times I_{Z(max)} \]). تجاوز از این توان باعث تخریب دیود می شود. بنابراین در طراحی مدار، باید مطمئن شویم که در بدترین شرایط، توان تلف شده در دیود از
\[ P_{Z(max)} \]فراتر نرود.
در مدارات کاربردی، دیود زنر را می توان به صورت سری نیز به کار برد تا ولتاژهای بالاتر یا نامتعارف به دست آید. برای مثال، با سری کردن دو دیود زنر ۱۰ ولت، یک دیود زنر ۲۰ ولت به دست می آید. همچنین می توان دیود زنر را با دیود معمولی سری کرد تا ولتاژ آستانه دلخواه ایجاد شود. دیودهای زنر همچنین در تولید نویز سفید (White Noise) برای آزمایش مدارات و در برخی نوسان سازها کاربرد دارند.
در نهایت، انتخاب دیود زنر مناسب نیازمند توجه به پارامترهای ولتاژ، توان، مقاومت دینامیک، ضریب دمایی و تلورانس است. با انتخاب صحیح و طراحی مدار مناسب، دیود زنر می تواند یک راه حل ساده، ارزان و مؤثر برای تثبیت ولتاژ و حفاظت مدارات الکترونیکی باشد. با ظهور مدارات مجتمع تثبیت کننده ولتاژ (مانند سری 78xx)، استفاده از دیود زنر به عنوان تثبیت کننده اصلی کاهش یافته است، اما همچنان در کاربردهای با توان پایین، به عنوان مرجع ولتاژ و در مدارات محافظ، نقش حیاتی خود را حفظ کرده است.
