دارات زينر ديود ، الخصائص ، الحسابات

تستخدم ثنائيات زينر - التي سميت باسم مخترعها الدكتور كارل زينر - بشكل أساسي في الدوائر الإلكترونية لتوليد مراجع جهد دقيقة. هذه هي الأجهزة القادرة على إنشاء جهد ثابت عمليًا عبرها بغض النظر عن الاختلافات في مواقف الدائرة والجهد.

خارجيًا ، قد تجد ثنائيات زينر تشبه كثيرًا الثنائيات القياسية مثل 1N4148. تعمل ثنائيات زينر أيضًا عن طريق تصحيح التيار المتردد إلى تيار مستمر نابض تمامًا مثل بدائلها التقليدية. ومع ذلك ، على عكس الثنائيات المعدلة القياسية ، يتم تكوين ثنائيات زينر مع الكاثود المرتبط مباشرة مع موجب الإمداد ، والأنود مع العرض السالب.

صفات

في تكوينها القياسي ، تُظهر ثنائيات Zener مقاومة عالية تحت جهد معين وحرج (يُعرف باسم جهد Zerier). عندما يتم تجاوز هذا الجهد الحرج المحدد ، تنخفض المقاومة النشطة للديود Zener إلى مستوى منخفض للغاية.

وعند هذه القيمة المنخفضة للمقاومة ، يتم الاحتفاظ بجهد ثابت فعال عبر Zeners ، ويمكن توقع الاحتفاظ بهذا الجهد الثابت بغض النظر عن أي تغيير في تيار المصدر.

بكلمات بسيطة ، عندما يتجاوز العرض عبر الصمام الثنائي زينر قيمة زينر المقدرة ، يقوم الصمام الثنائي زينر بتوصيل الجهد الزائد ويؤسسه. نتيجة لهذا ، ينخفض ​​الجهد إلى ما دون جهد زينر الذي يغلق زينر ، ويحاول الإمداد مرة أخرى تجاوز جهد زينر ، وتشغيل زينر مرة أخرى. تتكرر هذه الدورة بسرعة مما يؤدي في النهاية إلى استقرار الخرج عند قيمة جهد زينر ثابتة.

تم إبراز هذه الخاصية بيانياً في الشكل أدناه الذي يشير إلى أنه فوق 'جهد زينر' ، يظل الجهد العكسي ثابتًا تقريبًا حتى مع وجود اختلافات في التيار العكسي. نتيجة لذلك ، غالبًا ما تستخدم ثنائيات زينر للحصول على انخفاض ثابت في الجهد ، أو الجهد المرجعي ، مع مقاومتها الداخلية.

صممت ثنائيات زينر في العديد من تصنيفات القوة الكهربائية وبتقييمات جهد تتراوح من 2.7 فولت إلى 200 فولت. (ومع ذلك ، في الغالب ، نادرًا ما يتم استخدام ثنائيات زينر بقيم أعلى بكثير من 30 فولت).

عمل حلبة زينر ديود الأساسية

يمكن رؤية دائرة تنظيم الجهد القياسي ، باستخدام المقاوم المفرد والصمام الثنائي Zener ، في الصورة التالية. هنا ، لنفترض أن قيمة الصمام الثنائي Zener هي 4.7 فولت والجهد الكهربائي V هو 8.0 فولت.

يمكن شرح العمل الأساسي للديود زينر بالنقاط التالية:

في حالة عدم وجود حمل عبر خرج الصمام الثنائي زينر ، يمكن رؤية 4.7 فولت يسقط عبر الصمام الثنائي Zener بينما يتم تطوير قطع 2.4 فولت عبر المقاوم R.

الآن ، في حالة تغيير جهد الدخل ، دعنا نتخيل ، من 8.0 إلى 9.0 فولت ، سوف يتسبب في انخفاض الجهد عبر Zener للحفاظ على المعدل 4.7 فولت.

ومع ذلك ، يمكن رؤية انخفاض الجهد عبر المقاوم R من 2.4 فولت إلى 3.4 فولت.

من المتوقع أن يكون انخفاض الجهد عبر زينر المثالي ثابتًا جدًا. من الناحية العملية ، قد تجد أن الجهد عبر الزينر يزداد قليلاً بسبب المقاومة الديناميكية للزينر.

الإجراء الذي يتم من خلاله حساب التغيير في جهد زينر هو بضرب مقاومة زينر الديناميكية بالتغير في تيار زينر.

يرمز المقاوم R1 ، في تصميم المنظم الأساسي أعلاه ، إلى الحمل المفضل الذي يمكن توصيله بالزينر. R1 في هذا الصدد سوف يسحب قدرًا معينًا من التيار الذي كان يتحرك عبر Zener.

نظرًا لأن التيار في Rs سيكون أعلى من التيار الداخل للحمل ، سيستمر مقدار التيار في المرور عبر Zener مما يتيح جهدًا ثابتًا تمامًا عبر Zener والحمل.

يجب تحديد المقاوم المتسلسل المشار إليه Rs بطريقة تجعل أدنى تيار يدخل Zener دائمًا أعلى من المستوى الأدنى المحدد لتنظيم ثابت من زينر. يبدأ هذا المستوى أسفل 'الركبة' مباشرة من منحنى الجهد العكسي / التيار العكسي كما تعلم من الرسم البياني السابق أعلاه.

يجب عليك أيضًا التأكد من أن اختيار Rs يضمن أن التيار الذي يمر عبر الصمام الثنائي Zener لا يتجاوز أبدًا تصنيف طاقته: والذي قد يكون مكافئًا لجهد Zener × تيار Zener. إنها أكبر كمية تيار قد تمر عبر الصمام الثنائي Zener في حالة عدم وجود الحمل R1.

كيفية حساب ثنائيات زينر

إن تصميم دارة زينر الأساسية أمر بسيط في الواقع ويمكن تنفيذه من خلال التعليمات التالية:

1. تحديد الحد الأقصى والحد الأدنى للحمل الحالي (Li) ، على سبيل المثال 10 مللي أمبير و 0 مللي أمبير.
2. حدد الحد الأقصى لجهد الإمداد الذي قد يتطور ، على سبيل المثال مستوى 12 فولت ، مع التأكد أيضًا من أن الحد الأدنى لجهد الإمداد دائمًا = 1.5 فولت + فولت (معدل جهد زينر).
3. كما هو موضح في تصميم المنظم الأساسي ، جهد الخرج المطلوب وهو جهد Zener المكافئ Vz = 4.7 Volts ، والمختار أدنى تيار زينر هو 100 ميكرو أمبير . هذا يعني أن الحد الأقصى لتيار Zener المقصود هنا هو 100 ميكرو أمبير بالإضافة إلى 10 مللي أمبير ، وهو 10.1 مللي أمبير.
4. يجب أن يسمح المقاوم التسلسلي Rs بالحد الأدنى للمبلغ الحالي 10.1 مللي أمبير حتى عندما يكون مصدر الإدخال هو أدنى مستوى محدد ، وهو 1.5 فولت أعلى من قيمة زينر المحددة Vz ، ويمكن حسابه باستخدام قانون أوم على النحو التالي: Rs = 1.5 / 10.1 × 10^-3= 148.5 أوم. يبدو أن أقرب قيمة قياسية هي 150 أوم ، لذلك قد تكون Rs 150 أوم.
5. إذا ارتفع جهد الإمداد إلى 12 فولت ، فإن انخفاض الجهد عبر Rs سيكون Iz x Rs ، حيث Iz = التيار من خلال زينر. لذلك ، بتطبيق قانون أوم نحصل على Iz = 12 - 4.7 / 150 = 48.66 مللي أمبير
6. ما سبق هو الحد الأقصى للتيار الذي سيسمح له بالمرور عبر الصمام الثنائي زينر. بمعنى آخر ، الحد الأقصى للتيار الذي قد يتدفق أثناء الحمل الأقصى للإخراج أو الحد الأقصى لمدخل جهد الإمداد المحدد. في ظل هذه الظروف ، سوف يبدد الصمام الثنائي زينر طاقة Iz x Vz = 48.66 x 4.7 = 228 mW. أقرب قيمة قياسية للقدرة لتحقيق ذلك هي 400 ميجاوات.

تأثير درجة الحرارة على ثنائيات زينر

إلى جانب معلمات الجهد والحمل ، فإن ثنائيات Zener مقاومة تمامًا لتغيرات درجة الحرارة من حولها. ومع ذلك ، قد يكون لدرجة الحرارة بعض التأثير على الجهاز كما هو موضح في الرسم البياني أدناه:

يظهر منحنى معامل درجة حرارة الصمام الثنائي زينر. على الرغم من أن منحنى المعامل عند الفولتية الأعلى يستجيب عند حوالي 0.1٪ لكل درجة مئوية ، فإنه يتحرك خلال الصفر عند 5 فولت ثم يتحول إلى سالب لمستويات الجهد المنخفض. في النهاية تصل إلى -0.04٪ لكل درجة مئوية عند حوالي 3.5 فولت.

استخدام Zener Diode كمستشعر لدرجة الحرارة

أحد الاستخدامات الجيدة لحساسية Zener diode لتغير درجة الحرارة هو استخدام الجهاز كجهاز استشعار درجة الحرارة كما هو موضح في الرسم البياني التالي

يوضح الرسم التخطيطي شبكة جسر مبنية باستخدام زوج من المقاومات وزوج من ثنائيات زينر لهما خصائص متطابقة. يعمل أحد ثنائيات زينر كمولد جهد مرجعي ، بينما يستخدم الصمام الثنائي الآخر زينر لاستشعار التغيرات في مستويات درجة الحرارة.

قد يكون معامل Zener القياسي 10 فولت + 0.07٪ / درجة مئوية والذي قد يتوافق مع تغير درجة الحرارة بمقدار 7 ملي فولت / درجة مئوية. سيؤدي ذلك إلى حدوث خلل بحوالي 7 مللي فولت بين ذراعي الجسر لكل اختلاف درجة مئوية في درجة الحرارة. يمكن استخدام مقياس FSD كامل بجهد 50 مللي فولت في الموضع المحدد لإظهار قراءات درجة الحرارة المقابلة.

تخصيص قيمة زينر ديود

بالنسبة لبعض تطبيقات الدارات ، قد يكون من الضروري الحصول على قيمة زينر دقيقة والتي قد تكون قيمة غير قياسية ، أو قيمة غير متوفرة بسهولة.

في مثل هذه الحالات ، يمكن إنشاء مجموعة من ثنائيات زينر والتي يمكن استخدامها بعد ذلك للحصول على قيمة زينر دايود المخصصة المطلوبة ، كما هو موضح أدناه:

في هذا المثال ، يمكن الحصول على العديد من قيم zener المخصصة وغير القياسية عبر المحطات الطرفية المختلفة ، كما هو موضح في القائمة التالية:

يمكنك استخدام قيم أخرى في المواضع المشار إليها للحصول على العديد من المجموعات المخصصة الأخرى من خرج الصمام الثنائي زينر

ثنائيات زينر مزودة بمكيف هواء

تُستخدم ثنائيات Zeners عادةً مع مستلزمات التيار المستمر ، ولكن يمكن أيضًا تصميم هذه الأجهزة للعمل مع مستلزمات التيار المتردد. تتضمن بعض تطبيقات التيار المتردد لثنائيات زينر الصوت ودوائر التردد اللاسلكي وأشكال أخرى من أنظمة التحكم في التيار المتردد.

كما هو موضح في المثال أدناه عند استخدام مصدر تيار متردد مع الصمام الثنائي زينر ، فإن زينر سينتقل فورًا بمجرد أن تمر إشارة التيار المتردد من الصفر إلى النصف السلبي من دورتها. نظرًا لأن الإشارة سلبية ، فسيتم تقصير التيار المتردد عبر الأنود إلى كاثود زينر ، مما يؤدي إلى ظهور 0 فولت في الناتج.

عندما يتحرك مصدر التيار المتردد عبر النصف الموجب من الدورة ، لا يعمل زينر حتى يرتفع التيار المتردد إلى مستوى جهد زينر. عندما تعبر إشارة التيار المتردد جهد زينر ، يقوم زينر بتوصيل واستقرار الإخراج إلى مستوى 4.7 فولت ، حتى تنخفض دورة التيار المتردد إلى الصفر.

تذكر ، أثناء استخدام زينر بمدخل تيار متردد ، تأكد من حساب Rs وفقًا لجهد ذروة التيار المتردد.

في المثال أعلاه ، الناتج ليس متماثلًا ، بل هو نابض 4.7 فولت تيار مستمر. من أجل الحصول على 4.7 فولت تيار متردد متماثل عند الخرج ، يمكن توصيل زنرين ظهر إلى ظهر كما هو موضح في الرسم البياني أدناه

قمع ضوضاء زينر ديود

على الرغم من أن ثنائيات زينر توفر طريقة سريعة وسهلة لإنشاء مخرجات جهد ثابت ثابت ، إلا أن لها عيبًا واحدًا قد يؤثر على الدوائر الصوتية الحساسة مثل مضخمات الطاقة.

تولد ثنائيات زينر ضوضاء أثناء التشغيل بسبب تأثير الانهيار الجليدي عند التبديل ، والذي يتراوح من 10 uV إلى 1 mV. يمكن منع ذلك عن طريق إضافة مكثف بالتوازي مع الصمام الثنائي زينر ، كما هو موضح أدناه:

يمكن أن تتراوح قيمة المكثف بين 0.01 فائق التوهج و 0.1 فائق التوهج ، مما سيسمح بقمع الضوضاء بمعامل 10 ، وسيحافظ على أفضل استقرار ممكن للجهد.

يوضح الرسم البياني التالي تأثير المكثف في تقليل ضوضاء الصمام الثنائي زينر.

استخدام زينر لفلترة تموج الجهد

يمكن أيضًا استخدام ثنائيات زينر كمرشحات جهد تموج فعال ، تمامًا كما يتم استخدامها لتثبيت جهد التيار المتردد.

نظرًا لمقاومتها الديناميكية المنخفضة للغاية ، فإن ثنائيات زينر قادرة على العمل مثل مرشح التموج بنفس الطريقة التي يعمل بها مكثف المرشح.

يمكن الحصول على ترشيح تموج مثير للإعجاب من خلال توصيل الصمام الثنائي Zener عبر الحمل ، مع أي مصدر للتيار المستمر. هنا ، يجب أن يكون الجهد هو نفسه مستوى حوض التموج.

في معظم تطبيقات الدارات ، قد يعمل هذا بشكل فعال مثل مكثف تجانس نموذجي بسعة عدة آلاف من الميكروفاراد ، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في مستوى تموج الجهد المتراكب على خرج التيار المستمر.

كيفية زيادة قدرة معالجة طاقة الصمام الثنائي زينر

من المحتمل أن تكون الطريقة السهلة لزيادة قدرة معالجة طاقة الصمام الثنائي زينر هي توصيلها بالتوازي كما هو موضح أدناه:

ومع ذلك ، قد لا يكون هذا من الناحية العملية بهذه البساطة كما يبدو وقد لا يعمل على النحو المنشود. هذا لأنه تمامًا مثل أي جهاز آخر من أشباه الموصلات ، لا تأتي زينر أيضًا بخصائص متطابقة تمامًا ، لذلك قد يتصرف أحد الزنر قبل أن يقوم الآخر بسحب التيار بأكمله من خلاله ، وفي النهاية يتم تدميره.

قد تكون الطريقة السريعة لمواجهة هذه المشكلة هي إضافة مقاومات متسلسلة ذات قيم منخفضة مع كل ثنائيات زينر كما هو موضح أدناه ، مما سيسمح لكل صمام زينر بمشاركة التيار بشكل موحد من خلال تعويض قطرات الجهد الناتجة عن المقاومات R1 و R2:

على الرغم من أنه يمكن زيادة قدرة معالجة الطاقة عن طريق توصيل ثنائيات Zener بالتوازي ، فقد يكون النهج المحسن كثيرًا هو إضافة تحويل BJT بالتزامن مع الصمام الثنائي زينر الذي تم تكوينه كمصدر مرجعي. يرجى الاطلاع على المثال التالي التخطيطي لنفسه.

لا تؤدي إضافة ترانزستور تحويلة إلى تعزيز قدرة معالجة طاقة زينر بمعامل 10 فحسب ، بل إنها تحسن أيضًا من مستوى تنظيم الجهد للإخراج ، والذي قد يكون مرتفعًا مثل الكسب الحالي المحدد للترانزستور.

يمكن استخدام هذا النوع من منظم زينر الترانزستور التحويلي للأغراض التجريبية لأن الدائرة تتميز بمرفق مقاوم للدائرة القصيرة بنسبة 100٪. ومع ذلك ، فإن التصميم غير فعال إلى حد ما لأن الترانزستور قد يبدد كمية كبيرة من التيار في حالة عدم وجود حمل.

لنتائج أفضل ، أ سلسلة تمرير الترانزستور نوع المنظم كما هو موضح أدناه يبدو خيارًا أفضل ومفضلًا.

في هذه الدائرة ، يُنشئ الصمام الثنائي Zener جهدًا مرجعيًا لمرور الترانزستور المتسلسل ، والذي يعمل بشكل أساسي مثل المتابع الباعث . نتيجة لذلك ، يتم الحفاظ على جهد الباعث بين بضعة أعشار من فولت من جهد قاعدة الترانزستور كما تم إنشاؤه بواسطة الصمام الثنائي Zener. وبالتالي فإن الترانزستور يعمل كمكون متسلسل ويتيح التحكم الفعال في تغيرات جهد الإمداد.

يتم تشغيل تيار الحمل بالكامل الآن عبر هذا الترانزستور المتسلسل. يتم تحديد قدرة معالجة الطاقة لهذا النوع من التكوين بالكامل من خلال قيمة ومواصفات الترانزستورات ، وتعتمد أيضًا على كفاءة وجودة المبدد الحراري المستخدم.

يمكن تحقيق تنظيم ممتاز من التصميم أعلاه باستخدام المقاوم سلسلة 1k. يمكن زيادة التنظيم بعامل 10 عن طريق استبدال زينر العادي بديود زينر ديناميكي منخفض خاص مثل 1N1589).

إذا كنت تريد أن توفر الدائرة المذكورة أعلاه ناتجًا متغيرًا منظمًا للجهد ، فيمكن تحقيق ذلك بسهولة باستخدام مقياس جهد 1K عبر الصمام الثنائي Zener. هذا يسمح بضبط الجهد المرجعي المتغير عند قاعدة الترانزستور المتسلسل.

ومع ذلك ، قد يؤدي هذا التعديل إلى كفاءة تنظيم أقل بسبب بعض تأثير التحويل الناتج عن مقياس الجهد.

دائرة الصمام الثنائي زينر الحالية الثابتة

يمكن تصميم مصدر تيار ثابت بسيط منظم من Zener من خلال ترانزستور واحد كمقاوم متغير السلسلة. يوضح الشكل أدناه مخطط الدائرة الأساسي.

يمكنك رؤية أزواج من ممرات الدائرة هنا ، أحدهما عبر الصمام الثنائي زينر المتصل في سلسلة بمقاوم متحيز ، بينما المسار الآخر يمر عبر المقاومات R1 و R2 والترانزستور المتسلسل.

في حالة انحراف التيار عن نطاقه الأصلي ، فإنه يخلق تغييرًا متناسبًا في مستوى التحيز لـ R3 ، مما يؤدي بدوره إلى زيادة مقاومة الترانزستور المتسلسلة أو تقليلها بشكل متناسب.

ينتج عن هذا التعديل في مقاومة الترانزستور تصحيح تلقائي لتيار الخرج إلى المستوى المطلوب. ستكون دقة التحكم الحالي في هذا التصميم حوالي +/- 10٪ استجابة لظروف الإخراج التي قد تتراوح بين ماس كهربائى وتحميل يصل إلى 400 أوم.

دارة تبديل التتابع المتسلسل باستخدام الصمام الثنائي زينر

إذا كان لديك تطبيق يلزم فيه تبديل مجموعة من المرحلات بالتتابع واحدة تلو الأخرى على مفتاح الطاقة بدلاً من التنشيط معًا ، فيمكن أن يكون التصميم التالي مفيدًا تمامًا.

هنا ، يتم تثبيت ثنائيات زينر المتزايدة بالتتابع في سلسلة مع مجموعة من المرحلات جنبًا إلى جنب مع مقاومات متسلسلة فردية منخفضة القيمة. عندما يتم تشغيل الطاقة ، تعمل ثنائيات زينر واحدة تلو الأخرى في تسلسل بترتيب متزايد لقيم زينر الخاصة بها. ينتج عن ذلك تبديل الترحيل بالتسلسل حسب رغبة التطبيق. يمكن أن تكون قيم المقاومات 10 أوم أو 20 أوم اعتمادًا على قيمة مقاومة ملف الترحيل.

دائرة زينر ديود لحماية الجهد الزائد

نظرًا لخصائصها الحساسة للجهد ، فمن الممكن دمج ثنائيات زينر مع الخاصية الحساسة الحالية للصمامات لحماية مكونات الدائرة الحاسمة من ارتفاعات الجهد العالي ، بالإضافة إلى التخلص من متاعب الصمامات من النفخ المتكرر ، والذي قد يحدث بشكل خاص عند تصنيف الصمامات قريب جدًا من مواصفات التشغيل الحالية للدائرة.

من خلال الانضمام إلى الصمام الثنائي Zener المصنف بشكل صحيح عبر الحمل ، يمكن استخدام الصمامات المصنفة بشكل مناسب للتعامل مع تيار الحمل المقصود لفترات طويلة. في هذه الحالة ، لنفترض أن جهد الدخل يزداد إلى حد يتجاوز جهد انهيار Zener - سوف يجبر الصمام الثنائي Zener على التوصيل. سيؤدي هذا إلى زيادة مفاجئة في التيار الذي ينفخ المصهر على الفور تقريبًا.

تتمثل ميزة هذه الدائرة في أنها تمنع المصهر من النفخ بشكل متكرر وغير متوقع نظرًا لقيمة الانصهار القريبة لتيار الحمل. بدلاً من ذلك ، ينفجر المصهر فقط عندما يرتفع الجهد والتيار بشكل حقيقي إلى ما وراء مستوى غير آمن محدد.

دائرة حماية الجهد المنخفض باستخدام Zener Diode

يكفي المرحل والصمام الثنائي الزينر المحدد بشكل مناسب لإنشاء دائرة حماية منخفضة الجهد أو تحت الجهد الكهربائي لأي تطبيق مرغوب فيه. يتم عرض مخطط الدائرة أدناه:

العملية في الواقع بسيطة للغاية ، حيث يختلف العرض Vin الذي يتم الحصول عليه من شبكة جسر المحولات بشكل متناسب اعتمادًا على اختلافات إدخال التيار المتردد. هذا يعني أنه إذا افترضنا أن 220 فولت يتوافق مع 12 فولت من المحول ، فيجب أن يتوافق 180 فولت مع 9.81 فولت وما إلى ذلك. لذلك ، إذا افترضنا أن 180 فولت هي حد قطع الجهد المنخفض ، فإن اختيار الصمام الثنائي زينر كجهاز 10 فولت سيقطع عملية الترحيل عندما ينخفض ​​التيار المتردد عن 180 فولت.