Điốt Zener

Giới thiệu

Điốt thường được biết đến như một thiết bị cho phép dòng điện chạy theo một hướng (phân cực thuận) và cung cấp khả năng chống lại dòng điện khi được sử dụng theo phân cực ngược. Mặt khác, điốt Zener (Được đặt theo tên nhà khoa học người Mỹ C. Zener, người đầu tiên giải thích nguyên lý hoạt động của nó), mặt khác, không chỉ cho phép dòng điện chạy khi được sử dụng trong phân cực thuận, mà chúng còn cho phép dòng điện chạy khi được sử dụng ở phân cực ngược cho đến nay điện áp đặt vào cao hơn điện áp đánh thủng được gọi là Điện áp đánh thủng Zener. Hay nói cách khác Điện áp đánh thủng là điện áp mà Diode Zener bắt đầu dẫn theo chiều ngược lại.

Nguyên lý hoạt động của Diode Zener:

Trong điốt bình thường, điện áp đánh thủng rất cao và điốt bị hỏng hoàn toàn nếu đặt điện áp trên điốt đánh thủng, nhưng trong điốt Zener, điện áp đánh thủng không cao bằng và không dẫn đến hư hỏng vĩnh viễn của điốt zener nếu điện áp được áp dụng.

Khi điện áp ngược được áp dụng cho điốt Zener tăng lên đến Điện áp đánh thủng (Vz) được chỉ định, một dòng điện bắt đầu chạy qua điốt và dòng điện này được gọi là Dòng điện Zener và quá trình này được gọi là Đánh thủng Avalanche . Dòng điện tăng lên tối đa và được ổn định. Dòng điện này không đổi trong phạm vi rộng hơn của điện áp đặt và cho phép diode Zener chịu được điện áp cao hơn mà không bị hỏng. Dòng điện này được xác định bởi điện trở nối tiếp.

Hãy xem xét các Hình ảnh bên dưới của một diode bình thường đang hoạt động.

Để hiển thị các hoạt động của diode zener, hãy xem xét hai thí nghiệm (A và B) dưới đây.

Trong thí nghiệm A, một diode zener 12V được kết nối theo phân cực ngược lại như trong hình và có thể thấy rằng diode zener đã chặn điện áp hiệu quả vì nó nhỏ hơn / bằng điện áp đánh thủng của diode zener cụ thể và do đó. ở lại.

Trong thí nghiệm B, một Diode Zener 6v được sử dụng đang dẫn (bóng đèn bật) phân cực ngược vì điện áp đặt vào lớn hơn điện áp đánh thủng của nó và do đó cho thấy rằng vùng đánh thủng là vùng hoạt động của diode zener.

Đường đặc tính dòng-điện áp của diode Zener được hiển thị bên dưới.

Từ đồ thị, có thể suy ra rằng diode zener hoạt động ở chế độ phân cực ngược sẽ có điện áp khá ổn định bất kể lượng dòng điện được cung cấp.

Các ứng dụng của Diode Zener:

Điốt Zener được sử dụng trong ba ứng dụng chính trong mạch điện tử;

1. Quy định điện áp

2. Máy cắt dạng sóng

3. Bộ dịch chuyển điện áp

1. Diode Zener làm bộ điều chỉnh điện áp

Đây được cho là ứng dụng phổ biến nhất của điốt zener.

Ứng dụng này của điốt zener chủ yếu dựa vào khả năng của điốt zener để duy trì điện áp không đổi bất kể sự thay đổi của nguồn cung cấp hoặc dòng tải. Chức năng chung của thiết bị điều chỉnh điện áp là cung cấp điện áp đầu ra không đổi cho tải được nối song song với nó bất kể sự thay đổi của năng lượng do tải lấy ra (Dòng tải) hoặc sự biến đổi và không ổn định của điện áp cung cấp.

Diode Zener sẽ cung cấp điện áp không đổi với điều kiện dòng điện nằm trong phạm vi của dòng điện ngược tối đa và tối thiểu.

Sơ đồ mạch hiển thị diode Zener được sử dụng làm bộ điều chỉnh điện áp được hiển thị bên dưới.

Một điện trở, R1 được mắc nối tiếp với diode zener để hạn chế lượng dòng điện chạy qua diode và điện áp đầu vào Vin (Phải lớn hơn điện áp zener) được kết nối như thể hiện trong hình và điện áp đầu ra Vout, được lấy qua diode zener với Vout = Vz (Điện áp Zener). Vì các đặc tính phân cực ngược của diode zener là những gì cần thiết để điều chỉnh điện áp, nó được kết nối ở chế độ phân cực ngược, với cực âm được kết nối với đường ray tích cực của mạch.

Cần phải cẩn thận khi chọn giá trị của điện trở R1, vì điện trở có giá trị nhỏ sẽ dẫn đến dòng điốt lớn khi tải được kết nối và điều này sẽ làm tăng yêu cầu tiêu tán công suất của điốt có thể trở nên cao hơn định mức công suất tối đa của zener và có thể làm hỏng nó.

Giá trị của điện trở được sử dụng có thể được xác định theo công thức dưới đây.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Trong đó; R1 là giá trị của điện trở nối tiếp. Vin là điện áp đầu vào. Vz giống với Vout là điện áp Zener Và Iz là dòng zener.

Bằng cách sử dụng công thức này, bạn sẽ dễ dàng đảm bảo rằng giá trị của điện trở được chọn không dẫn đến dòng điện cao hơn những gì zener có thể xử lý.

Một vấn đề nhỏ gặp phải với các mạch điều chỉnh dựa trên diode zener là Zener đôi khi tạo ra nhiễu điện trên đường cung cấp trong khi cố gắng điều chỉnh điện áp đầu vào. Mặc dù đây có thể không phải là vấn đề đối với hầu hết các ứng dụng, vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách bổ sung một tụ điện tách giá trị lớn trên diode. Điều này giúp ổn định đầu ra của zener.

2. Diode Zener dạng Waveform Clipper

Một trong những ứng dụng của điốt thông thường là trong ứng dụng của mạch cắt và kẹp, là các mạch được sử dụng để định hình hoặc sửa đổi dạng sóng hoặc tín hiệu AC đầu vào, tạo ra tín hiệu đầu ra có hình dạng khác nhau tùy thuộc vào thông số kỹ thuật của máy cắt hoặc máy kẹp.

Nói chung, mạch Clippers là mạch được sử dụng để ngăn tín hiệu đầu ra của mạch vượt quá giá trị điện áp định trước mà không làm thay đổi bất kỳ phần nào khác của tín hiệu đầu vào hoặc dạng sóng.

Các mạch này cùng với bộ kẹp được sử dụng rộng rãi trong truyền hình Analog và máy phát sóng radio FM để loại bỏ nhiễu (mạch kẹp) và hạn chế các đỉnh nhiễu bằng cách cắt các đỉnh cao.

Vì điốt Zener nhìn chung hoạt động giống như điốt bình thường khi điện áp đặt vào không bằng điện áp đánh thủng, do đó chúng cũng được sử dụng trong các mạch cắt.

Các mạch cắt có thể được thiết kế để cắt tín hiệu ở vùng tích cực, tiêu cực hoặc cả hai vùng. Mặc dù diode sẽ tự nhiên cắt khỏi vùng khác ở 0,7V bất kể nó được thiết kế như một bộ cắt dương hay âm.

Ví dụ, hãy xem xét mạch dưới đây.

Mạch clipper được thiết kế để cắt tín hiệu đầu ra ở 6.2v, vì vậy một diode zener 6.2v đã được sử dụng. Diode zener ngăn không cho tín hiệu đầu ra vượt quá điện áp zener bất kể dạng sóng đầu vào. Đối với ví dụ cụ thể này, điện áp đầu vào 20v đã được sử dụng và điện áp đầu ra trên xoay dương là 6,2v phù hợp với điện áp của diode zener. Tuy nhiên, trong quá trình xoay âm của điện áp AC, diode zener hoạt động giống như diode bình thường và cắt điện áp đầu ra ở mức 0,7V, Phù hợp với điốt silicone bình thường.

Để thực hiện mạch cắt cho phần xoay âm của mạch xoay chiều cũng như phần xoay dương theo cách mà điện áp được cắt ở các mức khác nhau trên phần xoay dương và âm, một mạch cắt đôi zener được sử dụng. Sơ đồ mạch cho mạch cắt zener kép được hiển thị bên dưới.

Trong mạch cắt ở trên, điện áp Vz2 đại diện cho điện áp trên xoay âm của nguồn xoay chiều tại đó tín hiệu đầu ra được mong muốn cắt, trong khi điện áp Vz1 đại diện cho điện áp trên xoay dương của nguồn xoay chiều tại đó điện áp đầu ra mong muốn được cắt bớt.

3. Diode Zener làm Bộ dịch chuyển điện áp

Bộ dịch chuyển điện áp là một trong những ứng dụng đơn giản nhưng thú vị của diode zener. Nếu bạn đã có kinh nghiệm đặc biệt với việc kết nối cảm biến 3.3v với MCU 5V và đã tận mắt chứng kiến các lỗi trong số đọc, v.v., điều này có thể dẫn đến chúng, bạn sẽ đánh giá cao tầm quan trọng của bộ dịch chuyển điện áp. Bộ dịch chuyển điện áp giúp chuyển đổi tín hiệu từ điện áp này sang điện áp khác và với khả năng của diode zener để duy trì điện áp đầu ra ổn định trong vùng đánh thủng, nó làm cho chúng trở thành thành phần lý tưởng cho hoạt động.

Trong bộ dịch chuyển điện áp dựa trên diode zener, mạch, làm giảm điện áp đầu ra, bằng giá trị bằng điện áp đánh thủng của diode zener cụ thể được sử dụng. Sơ đồ mạch cho bộ dịch chuyển điện áp được minh họa dưới đây.

Hãy xem xét thử nghiệm bên dưới,

Mạch mô tả bộ dịch chuyển điện áp dựa trên diode zener 3.3v. Điện áp đầu ra (3,72V) của mạch được cho bằng cách lấy điện áp đầu vào (7V) trừ đi điện áp đánh thủng (3,3V) của diode zener.

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3,3 = 3,7 v

Bộ dịch chuyển điện áp như đã mô tả ở trên có một số ứng dụng trong thiết kế mạch điện tử ngày nay vì kỹ sư thiết kế có thể phải làm việc với tối đa ba mức điện áp khác nhau trong quá trình thiết kế.

Các loại điốt Zener:

Điốt Zener được phân loại thành các loại dựa trên một số thông số bao gồm;

Định mức điện áp
Sự thât thoat năng lượng
Chuyển tiếp ổ đĩa hiện tại
Điện áp chuyển tiếp
Loại bao bì
Dòng điện ngược tối đa

Định mức điện áp

Điện áp hoạt động danh định của diode zener còn được gọi là điện áp đánh thủng của diode zener, tùy thuộc vào ứng dụng mà diode được sử dụng, đây thường là tiêu chí quan trọng nhất để lựa chọn diode Zener.

Sự thât thoat năng lượng

Điều này thể hiện mức công suất tối đa mà dòng zener có thể tiêu tán. Vượt quá định mức công suất này dẫn đến nhiệt độ của điốt zener tăng quá mức có thể làm hỏng nó và dẫn đến hỏng các thứ được kết nối với nó trong mạch. Vì vậy, yếu tố này cần được xem xét khi lựa chọn diode với mục đích sử dụng.

Dòng Zener tối đa

Đây là dòng điện tối đa có thể đi qua diode zener ở điện áp zener mà không làm hỏng thiết bị.

Dòng Zener tối thiểu

Điều này đề cập đến dòng điện tối thiểu cần thiết để diode zener bắt đầu hoạt động trong vùng đánh thủng.

Tất cả các thông số khác đóng vai trò là đặc điểm kỹ thuật cho diode đều cần được xem xét đầy đủ trước khi đưa ra quyết định về loại diode zener cần thiết cho thiết kế đặc biệt đó.

Phần kết luận:

Dưới đây là 5 điểm bạn không bao giờ được quên về diode zener.

Một diode zener giống như một diode thông thường chỉ khác là nó đã được pha tạp để có điện áp đánh thủng mạnh.
Diode Zener duy trì điện áp đầu ra ổn định bất kể điện áp đầu vào với điều kiện dòng điện zener tối đa không bị vượt quá.
Khi được kết nối theo phân cực thuận, diode zener hoạt động chính xác như diode silicone bình thường. Nó dẫn với cùng một điện áp giảm 0,7v đi kèm với việc sử dụng diode bình thường.
Trạng thái hoạt động mặc định của diode zener nằm trong vùng đánh thủng (phân cực ngược). Nó có nghĩa là nó thực sự bắt đầu hoạt động khi điện áp đặt vào cao hơn Điện áp Zener trong phân cực ngược.
Diode zener chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến, điều chỉnh điện áp, cắt mạch và chuyển đổi điện áp.