دیود زنر چیست و چه کاربردی دارد؟ 

دیودها به عنوان یک سو کننده جریان در مدار، از دو نیمه‌‌هادی نوع N و نوع P تشکیل شده که به یکدیگر متصل شده‌اند. دیود زنر نوعی دیود است که توانایی عبور دادن جریان از دو جهت را دارد. در این مطلب به طور کامل با دیود زنر، کاربرد، انواع و مشخصات آن آشنا می شویم. پس از بررسی انواع دیود زنر، می توانید تصمیم گیری کنید که خرید دیود زنر برای پروژه شما مناسب است یا خیر. پس با ما همراه باشید.

دیود زنر چیست؟

به نوع خاصی از دیودهای نیمه هادی یکسو کننده که جریان را به یک سمت هدایت می‌‍کند و در صورتی که ولتاژ به حد مشخصی برسد که منظور همان ولتاژ شکست است، اجازه می‌دهد جریان در جهت عکس حرکت کند، دیود زنر (Zener diode) گفته می‌شود. این دیود توانایی کنترل خرابی ناشی از ولتاژ شکست معکوس را بدون خرابی کامل دارد. از این دیود معمولاً به ‌عنوان مرجع ولتاژ استفاده می‌شود.

دیود zener علاوه بر این‌که در بایاس مستقیم جریان را عبور می‌دهد، در بایاس معکوس هم تا زمانی که ولتاژ نامی دیود از ولتاژ شکست بیشتر باشد، اجازه می‌دهد جریان عبور کند.

نماد دیود زنر

دیودها معمولاً در بسته‌های استوانه‌ای شیشه‌ای یا پلاستیکی عرضه می‌شوند که با یک نوار در یک طرف برای نشان دادن قطبیت مشخص می‌شوند. در یک دیود کاملا ایده آل، جریان فقط در یک جهت جریان می یابد، از آند (سمت مثبت) به کاتد (سمت منفی) که با نوار مشخص شده است. نماد شماتیک دیود zener مثلثی است که به سمت میله‌ای اشاره می‌کند، جایی که جریان در همان جهت، به سمت انتهای میله‌ای (راه راه) جریان دارد.

دیود زنر smd

دیود زنر SMD (surface mounted diode) که نوعی دیود نیمه هادی با پیوند P-N است که طراحی آن به نحوی است که روی سطح  مونتاژ می‌شود. دیود زنر SMD در ناحیه بایاس معکوس کار می‌کند و کاربردهای زیادی در الکترونیک به عنوان تثبیت کننده ولتاژ و یا ولتاژ مبنا دارد. LED های نوع زنر SMD بر روی یک بستر آلومینیومی نصب شده و در یک رزین اپوکسی پوشانده شده‌اند.

عملکرد دیود زنر

هنگامی که ولتاژ معکوس به محل اتصال PN یک دیود اعمال می‌شود، یک شکست سریع رخ می‌دهد. این باعث می‌‍شود جریان را معکوس کند. تغییر جهت جریان، الکترون‌های ظرفیت را در میدان الکتریکی اعمال شده سرعت ببخشد؛ به اندازه‌ای که آن‌ها را آزاد کند.

به دلیل این‌که دیود zener راهکارهای بسیار خوبی برای نیازهای متعددی در طراحی مدار را ارائه می‌دهد، یکی از کارآمدترین قطعات الکترونیکی است. عملکرد این دیود هم مانند یک دیود معمولی است که از یک اتصال PN سیلیکونی تشکیل شده و زمانی که آند نسبت به کاتد آن مثبت و بایاس مستقیم می‌شود، همچون یک دیود سیگنال معمولی که جریان را عبور می دهد، رفتار می‌کند.

یک دیود معمولی که در زمان بایاس معکوس، کاتد مثبت تر از آند می‌شود و دیود هر جریانی را از خود مسدود می‌کند؛ ولی در دیود zener به محض رسیدن ولتاژ معکوس به اندازه مشخص و مقدار از پیش تعیین شده، دیود شروع می‌کند به هدایت در جهت معکوس.

دیودهای زنر برای تنظیم ولتاژ، به عنوان عناصر مرجع، مقاومت‌ها، در عملیات سوئیچینگ یا کلید زنی، مدارهای محافظتی، مدارهای برشگر و جهشی، مدارهای کلیپر و پایدار کننده‌های ولتاژ استفاده می شوند.

سوختن دیود زنر

دمای بیش از حد یک دیود زنر را از بین می برد و چون هم ولتاژ را کاهش می دهد و هم جریان را هدایت می کند، گرمای خود را مطابق با قانون ژول (P=IE) تولید می کند. بنابراین، باید مراقب بود که مدار رگولاتور به گونه ای طراحی شود که از توان اتلاف دیود تجاوز نکند. به طور کلی دلایل رایج سوختن دیود زنر و درنتیجه از کار افتادن آن، جریان مستقیم زیاد و ولتاژ معکوس زیاد است.

انواع دیود زنر

دقت، سرعت، توان و ولتاژ شکست از جمله مواردی هستند که روی قیمت دیود زنر تاثیر مستقیم دارند و در انتخاب یک دیود با توجه به استفاده‌ای که قرار است از دیود داشته باشید، باید حتماً به آ‌ن‌ها توجه کنید. این دیود معمولاً بر اساس ولتاژ نامی، ولتاژ مستقیم، جریان راه اندازی، اتلاف توان و … دسته بندی می‌شود. برخی از مهم‌ترین مشخصات دیود زنر عبارت‌اند از:

ولتاژ دیود زنر

ولتاژ نامی دیود zener که تحت عنوان ولتاژ شکست هم از آن یاد می‌شود، یکی از مهم‌ترین معیارهایی است که در انتخاب دیود zener باید به آن توجه کنید. دیود زنر معمولاً با ولتاژ ۲٫۴ تا ۲۰۰ ولت تولید می‌شوند این ولتاژ می‌تواند تا 1 کیلو ولت هم بالا برود؛ در حالی که ولتاژ نامی برای دیود زنر SMD حداکثر تا حدود 47 ولت است.

اتلاف توان

اتلاف توان بیشترین مقدار توانی که جریان زنر تلف می‌کند را نشان می‌دهد. اگر میزان توان از این حد فراتر رود، دمای دیود زنر بیش از حد بالا می‌رود و در نهایت دیود و قطعاتی که در مدار با آن ارتباط دارند، خراب می‌شوند. بنابراین در زمان انتخاب دیود zener بر اساس نوع کاربرد، باید این فاکتور را مدنظر داشته باشید.

این مقدار برای دیودهای معمولی 400 میلی‌وات، 500 میلی‌وات، 1 وات و 5 وات هستند. برای دیودهایSMD ، 200 میلی‌وات، 350 میلی‌وات، 500 میلی‌وات و 1 وات هستند.

ماکزیمم جریان زنر

ماکزیمم جریان زنر در واقع بیشترین میزان جریانی است که می‌تواند بدون این‌که به دیود آسیبی برساند، از آن عبور دهد. و معمولاً تا 200A است.

مینیمم جریان زنر

به کمترین میزان جریانی که برای شروع به کار دیود zener در ناحیه شکست لازم است، مینیمم جریان زنر می‌گویند که معمولاً 5 میلی آمپر و 10 میلی آمپر است.

پارامترهای دیگری چون جریان راه اندازی مستقیم، ولتاژ مستقیم، نوع بسته‌بندی، ماکزیمم جریان معکوس و پایداری دما از مواردی هستند که قبل از تصمیم‌گیری در مورد انتخاب نوع دیود zener برای استفاده در پروژه باید مورد بررسی قرار گیرند.

کاربرد دیود زنر چیست؟

افت ولتاژ در دیود zener معمولاً ثابت است، همین مسئله باعث می‌شود که از دیود zener برای تنظیم ولتاژ استفاده کنند و این مهم‌ترین کاربرد این نوع دیودهاست. در بررسی کاربرد دیور زنر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

رگولاتور ولتاژ (Voltage regulator)

دیود زنر به عنوان رگولاتور ولتاژ یا تثبیت کننده مقدار ولتاژ در مدارهای تنظیم کننده ولتاژ مانند رگولاتور خطی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دیود ولتاژ را ثابت نگه می‌دارد ولی جریان در محدوده بیشترین و کمترین میزان جریان معکوس باقی می ماند.

برش دهنده شکل موج (Waveform clipper)

دیود زنر در مدارهای برش دهنده و جا به جا کننده سطح سیگنال با هدف شکل دادن و اصلاح سیگنال یا شکل موج ورودی AC مورد استفاده قرار می‌گیرد و خروجی سیگنال با اشکال متفاوتی را تولید می‌کند.

اگر دو دیود zener را به صورت پشت به پشت هم در سر راه یک منبع تغذیه متناوب ببندیم، در نقطه‌های ولتاژ شکست دیودها، شکل موج ولتاژ دو سر آن برش می‌میخورد و قله‌های موج ورودی به مدار حذف می‌شود. علاوه بر تغییر شکل موج یک منبع، برای حذف قله‌هایی که به صورت ناخواسته در ورودی یک مدار ایجاد می‌شوند، از این دیود استفاده می‌گردد.

شیفت دهنده ولتاژ (Voltage shifter)

یکی دیگر از کاربردهای مهم دیود zener استفاده از آن برای شیفت دادن مقدار ولتاژهای DC می‌باشد. مدارهای مقاومتی، مقدار ولتاژ اعمال شده به مقاومت را با قرار دادن دیود زنر بر سر راه ورودی مدار، به اندازه ولتاژ شکست دیود تغییر می‌دهند.

مدار دیود زنر

دیودهای زنر با ولتاژهای zener از چند ولت تا صدها ولت تولید می‌شوند. ولتاژ زنر با دما کمی تغییر می‌کند و ممکن است بین 5 تا 10 درصد با مشخصات سازنده مغایرت داشته باشد. این ثبات و دقت به طور کلی به اندازه‌ای خوب است که باعث می‌شود دیود zener به عنوان یک دستگاه تنظیم کننده ولتاژ در مدار منبع تغذیه مشترک در شکل زیر استفاده شود.

(مدار رگولاتور دیود zener، ولتاژ زنر = 12.6 ولت).

به جهت‌گیری دیود zener در مدار بالا توجه کنید: دیود بایاس معکوس است و این مسئله عمدی است. اگر دیود را به روش «عادی» جهت‌گیری می‌کردیم، به گونه‌ای که بایاس مستقیم باشد، فقط 0.7 ولت افت می‌کرد، درست مانند یک یکسو کننده الکتریکی معمولی.

اگر می‌خواهیم از ویژگی‌های شکست معکوس این دیود استفاده کنیم، باید در حالت بایاس معکوس آن کار کنیم؛ تا زمانی که ولتاژ منبع تغذیه بالاتر از ولتاژ zener (در این مثال 12.6 ولت) باقی بماند، ولتاژ کاهش یافته در این دیود تقریباً در 12.6 ولت باقی خواهد ماند.

مانند هر وسیله نیمه هادی، دیود zener هم به دما حساس است و در دمای بیش از حد از بین می‌رود. دیود زنر به این دلیل که هم ولتاژ را کاهش می‌دهد و هم جریان را هدایت می‌کند، گرمای خود را مطابق با قانون ژول (P=IE) تولید می‌کند.

بنابراین، باید مراقب بود که مدار رگولاتور به گونه‌ای طراحی شود که از درجه اتلاف توان دیود تجاوز نکند. زمانی که دیودهای zener به دلیل اتلاف بیش از حد انرژی از کار می‌افتند، معمولاً به جای باز شدن، کوتاه می‌شوند. یک دیود به این روش به راحتی تشخیص داده می‌شود: وقتی بایاس شود، مانند یک تکه سیم، ولتاژ تقریباً صفر را کاهش می‌دهد.

ولتاژهای استاندارد دیود زنر

روش تعیین مقدار دیود زنر

در این بخش روش تست دیود زنر با مولتی متر را مورد بحث قرار می دهیم؛ به این صورت که برای بررسی و تعیین مقدار دیود zener، از یک مولتی متر برای تست ولتاژ آن در داخل و خارج از مدار استفاده می کنیم. به عنوان مثال یک دیود زنر 1N4734A دارای ولتاژ 5.6 ولت و توان 1 وات است. این دیود ولتاژ پایدار 5.6 ولت را به مدار می‌رساند و حداکثر جریان تقریباً 1 وات/5.6 ولت = 179 میلی آمپر است.

برای جلوگیری از جریان بیش از حد در مدار، از یک مقاومت 200 اهم به صورت سری با دیود استفاده کنید. مولتی متر را روی یک تنظیم ولتاژ DC قرار دهید. ولتاژ دیود را با قرار دادن یک مولتی متر روی هر ترمینال اندازه گیری کنید. باید تقریباً 5.6 ولت را نشان دهد، اگرچه مقدار تقریبی آن ممکن است تا 5.32 ولت یا 5.88 ولت باشد. توجه داشته باشید که ولتاژ بین باتری و زمین در 9 ولت باقی می ماند.

باید افت ولتاژ مستقیم در دیود zener را اندازه گیری کنید. برای این کار سر مثبت یا قرمز مولتی متر را به سمت آند دیود که علامت‌گذاری نشده، وصل کنید. سر منفی یا سیاه را در سمت کاتد دیود قرار دهید که با یک نوار مشخص شده است. دیود zener از سیلیکون ساخته شده است؛ بنابراین بایاس مستقیم، یک دستگاه سالم باید 0.5 تا 0.7 ولت را بخواند.

ولتاژ بایاس معکوس در دیود زنر را با سوئیچ کردن پروب‌های مولتی متر اندازه گیری کنید. سر مثبت را در سمت علامت گذاری شده یا کاتد و سرب منفی را در سمت بدون علامت یا آند قرار دهید. در این شرایط باید شاهد مقاومت بی نهایت یا عدم وجود جریان باشد.

روش خواندن دیود زنر

معمولاً مشخصات دیود زنر به صورت کد یا کلی روی آن نوشته شده است؛ به نحوی که با نگاه کردن به بدنه دیود تا حد زیادی می‌توان فهمید که چه نوعی است؛ بنابراین حروف حک شده روی بدنه دیود از اهمیت بالایی برخوردارند. به عنوان مثال علامت D روزی دیودها نشان‌دهنده دیود معمولی و علامت ZD نشان دهنده دیود زنر است.

راهکار پیدا کردن مشخصات دیود حک شده روی بدنه دیود، جست و جو عبارت در موتورهای جستجو یا مراجعه به کتاب های نیمه هادی است. اگر در مورد دیود zener و ولتاژ آن اطلاعات کافی نداشته باشید، کارتان سخت خواهد شد؛ چرا که با انجام یک تعویض اشتباه می‌توانید به دستگاه خود آسیب وارد کنید.

در ادامه مثال‌هایی برای روش خواندن این دیود آورده شده که می‌توانند تا حدودی کمک کننده باشد:

5.1 = دیود زنر 5.1 ولت

5V1 =ولت  5.1 دیود زنر

12 = 12 ولت

12V = 12 ولت

BZX85C22 = 22 ولت 1 وات

BZY85C22 = دیود زنر 22 ولت 1.2 وات

1N4746 = 18 ولت 1 وات

6C2 = دیود زنر 6.2 ولت

آیا می‌توان چندین دیود زنر را به صورت سری وصل کرد؟

اتصال چند دیود zener به صورت سری امکان پذیر است و معمولاً برای رسیدن به ولتاژ زنر خاص این کار را انجام می‌دهند. اگر از چندین دیود استفاده می‌کنید، باید جریان دیود زنر را هم کنترل کنید و مطمئن شوید که از حداکثر میزان مجاز، بالاتر نرود؛ چرا که حداکثر جریان مجاز zener برابر با کمترین دیود متصل در سری می‌شود. در سناریویی که دو دیود زنر به صورت سری به هم متصل می‌شوند، مشخصات جریان زنرها باید یکسان باشند، وگرنه یکی جریان یا ولتاژ زنر اعلام شده را نمایش نخواهد داد.

درصورتی که قصد خرید دیود از جمله دیود شاتکی، دیود tvs، دیود زنر و … را دارید، به فروشگاه اینترنتی دیجی قطعه مراجعه کنید. برای خرید و مشاهده قیمت دیود زنر میتوانید از فروشگاه دیجی قطعه بخش دسته بندی محصولات اقدام نمایید. یا اگر در شناسایی مشخصات این دیود با مشکل مواجه شدید یا هر گونه سوالی داشتید، می‌توانید در بخش نظرات آن را مطرح کنید؛ در اسرع وقت توسط کارشناسان دیجی قطعه به آن‌ها پاسخ داده خواهد شد.