دیود زنر یک نوع با ارزش از انواع دیود است که نه تنها اجازه‌ی عبور جریان از آند به کاتد را میدهد، بلکه در ولتاژ خاصی که به آن ولتاژ زنر می‌گویند، جریان را در جهت معکوس، یعنی از کاتد به آند را نیز عبور میدهد. دیود زنر به افتخار دکتر کلارنس ملوین زنر (Dr Clarence Malvin Zener)، فیزیکدانی آمریکایی که در مورد مکانیزم‌های تجزیه مواد نیمه‌هادی تحقیق می‌کرد، نامگذاری شده‌است.
یک دیود نیمه‌رسانا جریان را در جهت معکوس مسدود می‌کند، اما اگر ولتاژ عکس عبوری از آن خیلی زیاد شود دچار آسیب میشود. اما دیود زنر (Zener Diode) که گاهی به آن «دیود شکست» (Bearkdown Diode) گفته میشود اساسا با دیود استاندارد اتصال PN تفاوتی ندارد اما این دیودها به صورت اختصاصی طوری طراحی شده‌اند که ولتاژ شکست معکوس پایین و بخصوصی دارند که از ولتاژ معکوس اعمال شده آسیبی نمی‌بینند.
دیود زنر مشابه دیود معمولی عمل می‌کند و شامل یک اتصال PN سیلیکون است و وقتی بایاس مستقیم شود، یعنی آند نسبت به کاتد مثبت باشد، مانند یک دیود سیگنال معمولی عمل کرده و جریان را عبور میدهد.
اما برخلاف دیود معمولی که هرگونه جریان را در بایاس معکوس مسدود می‌کند، یعنی کاتد نسبت به آند مثبت‌تر میشود، وقتی ولتاژ معکوس به یک مقدار از پیش تعیین شده برسد، دیود زنر جریان را در خلاف جهت عادی هدایت خواهد کرد.
زیرا وقتی ولتاژ معکوس اعمال شده در دیود زنر از ولتاژ نامی المان تجاوز کند یک فرایند به نام شکست بهمنی در لایه تخلیه نیمه‌هادی رخ میدهد و یک جریان از دیود عبور می‌کند که افزایش ولتاژ را محدود می‌سازد.
حال جریان عبوری از دیود زنر تا ماکزیمم مقدار مدار افزایش می‌یابد (که معمولا توسط یک مقاومت سری محدود میشود) و وقتی به این مقدار رسید این جریان اشباع معکوس در بازه ولتاژهای معکوس ثابت می‌ماند. نقطه ولتاژی که ولتاژ داخل دیود زنر ثابت میشود، ولتاژ زنر (Vz) می‌گویند، و برای دیودهای زنر این ولتاژ می‌تواند کمتر از یک ولت، یا چند صد‌ولت باشد.
نقطه ای که در آن ولتاژ زنر اجازه عبور جریان از دیود را میدهد می توان با دقت بسیار زیادی (با تلرانس کمتر از %1) طی فرآیند دوپینگ (doping) یا آلایش ساختار نیمه هادی دیودها کنترل کرد که به دیود یک ولتاژ شکست زنر خاص (Vz) می دهد. به عنوان مثال، 4.3 ولت یا 7.5 ولت. این ولتاژ شکست زنر در منحنی I-V تقریباً یک خط مستقیم عمودی است.
نمودار جریان-ولتاژ (I-V) دیود زنر
دیود زنر در حالت شکست معکوس یا «بایاس معکوس» استفاده میشود؛ یعنی آند این دیودها به پلاریته منفی منبع وصل میشود. در منحنی مشخصه جریان- ولتاژ دیود زنر در شکل بالا مشاهده می‌کنیم که دیود زنر در قسمت بایاس معکوس خود، (در بازه (min)Iz تا (max)Iz ) دارای یک ولتاژ منفی نسبتا ثابت (Vz-) است، که مستقل از مقدار عبور جریان از دیود می‌باشد.
حتی با تغییرات عمده در جریان این ولتاژ تقریبا ثابت باقی می‌ماند، به شرطی که جریان دیودهای زنر بین جریان شکست (min)Iz و ماکزیمم نرخ جریان (max)Iz باقی بماند.
از این توانایی دیود زنر برای کنترل خود می‌توان برای تنظیم یا تثبیت یک منبع ولتاژ در برابر تغییرات منبع یا بار بهره برد. این واقعیت که ولتاژ ناحیه شکست دیود زنر تقریبا ثابت می‌ماند به یک مشخصه مهم دیود زنر تبدیل میشود زیرا در ساده‌ترین انواع کاربردهای رگلاتور ولتاژ می‌توان از آن استفاده کرد.
وظیفه رگلاتور ولتاژ ارائه یک ولتاژ خروجی ثابت برای یک بار است که به صورت موازی به آن وصل شده است. درحالی که ریپل‌ها یا نوسانات موجود در ولتاژ منبع در جریان بار وجود دارند. دیود زنر به تنظیم ولتاژ ادامه میدهد تا جریان دیود به کمتر از مقدار (min)Iz در ناحیه شکست معکوس برسد.
رگولاتور ولتاژ با دیود زنر
دیودهای زنر را می‌توان جهت تولید خروجی ولتاژ ثابت با ریپل کم تحت شرایط جریان بار متغیر مورد استفاده قرار داد. با عبور دادن جریان کوچکی از منبع ولتاژ در دیود، از طریق یک مقاومت مناسب که جریان را محدود می‌کند، دیود زنر قادر است جریان کافی جهت حفظ افت ولتاژ Vout را عبور دهد.
در مقاله قبل یاد گرفتیم که ولتاژ خروجی DC یکسوسازهای نیم‌موج یا تمام‌موج ریپل دارند که روی ولتاژ DC سوار شده است و وقتی مقدار بار تغییر می‌کند میانگین ولتاژ خروجی هم دچار تغییر میشود. با وصل کردن یک مدار ثابت‌کننده زنر در خروجی یکسوساز، ولتاژ خروجی پایدارتری تولید میشود.
مدار تنظیم کننده ولتاژ با دیود زنر
مقاومت Rs به صورت سری به دیود زنر وصل شده است که جریان عبوری از دیود را توسط منبع ولتاژ محدود کند، Vs به دو سر این اتصال اعمال میشود.
ترمینال کاتد دیود زنر به ریل مثبت منبع DC وصل است بنابراین دیود زنر بایاس معکوس می‌باشد و در ناحیه شکست عمل می‌کند. مقاومت RS برای محدود کردن حداکثر جریان در مدار انتخاب شده است.
بدون بار وصل شده به مدار، جریان بار برابر با صفر خواهد بود، IL= 0 ، و همه جریان مدار از دیود زنر عبور کند، که به نوبه خود موجب اتلاف ماکزیمم توان میشود. علاوه‌براین، یک مقدار اندک مقاومت سری Rs موجب جریان بیشتر دیود میشود اگر مقاومت بار RL متصل باشد و این مقدار موجب افزایش نیاز دیود به اتلاف توان میشود، لذا باید در زمان انتخاب مقدار مناسب مقاومت سری دقت شود به طوری که از ماکزیمم نرخ انرژی زنر تحت شرایط بدون بار یا امپدانس بالا تجاوز نشود.
بار به صورت موازی به دیود زنر وصل است، لذا ولتاژ RL همیشه با ولتاژ زنر برابر است (VR = VZ). یک مینیمم جریان زنر وجود دارد که تنظیم و تثبیت ولتاژ، تنها در آن حالت موثر است و جریان دیود زنر باید همیشه بالای این مقدار باشد تا تحت بار در ناحیه شکست خود عمل کند. البته حد بالای جریان به نرخ توان المان بستگی دارد. ولتاژ منبع Vs باید بیشتر از Vz باشد.
مدارهای تنظیم کننده ولتاژ با دیود زنر یک مشکل کوچک دارند و آن این است که وقتی دیود تلاش می‌کند ولتاژ را تثبیت می‌کند گاهی باعث تولید نویز الکتریکی روی منبع DC میشود . معمولا در بیشتر کاربردها این موضوع مشکل محسوب نمی‌شود اما ممکن است برای هموارسازی (Smoothing) بیشتر به افزودن یک خازن تجزیه با مقدار زیاد در خروجی زنر نیاز باشد.
به بیان مختصر، دیود زنر همیشه در وضعیت بایاس معکوس کار می‌کند. به طوری که یک مدار رگولاتور ولتاژ ساده را می‌توان با استفاده از یک دیود زنر طراحی کرد تا یک ولتاژ خروجی DC را تحت بار حفظ کند (ثابت نگه دارد)، اگرچه در ولتاژ ورودی نوسان وجود داشته باشد یا جریان بار تغییر کند.
رگولاتور ولتاژ با دیود زنر شامل یک مقاومت محدودکننده جریان Rs است که به صورت سری به ولتاژ ورودی Vs وصل است و دیود زنر به صورت موازی در وضعیت بایاس معکوس به بار RL متصل است. ولتاژ خروجی تثبیت‌شده همیشه طوری انتخاب میشود که با ولتاژ شکست زنر یا همان Vz، برابر باشد.
مثال دیود زنر
باید از یک منبع تغذیه 12 ولتی DC، منبع تثبیت‌شده 5.0 ولتی تولید شود. توان ماکزیمم دیود زنر برابر با 2 وات است. برای استفاده از مدار رگلاتور ولتاژ با دیود زنر بالا محاسبه می‌کنیم:
(الف) ماکزیمم جریان عبوری از دیود زنر :
(ب) مینیمم مقدار مقاومت سری Rs :
(ج) جریان بار IL ، اگر مقاومت بار 1 کیلواهمی به دیود زنر متصل باشد :
(د) جریان زنر (Iz) تحت بار کامل (Full Load) :
ولتاژهای دیود زنر
علاوه بر تولید یک خروجی ولتاژ تثبیت شده، دیودهای زنر را می‌توان به صورت سری همراه با دیودهای سیگنال سیلیکونی به هم وصل کرد تا انواع مقادیر خروجی ولتاژ مرجع را تولید کرد.
اتصال سری دیودهای زنر
مقادیر دیودهای زنر را می‌توان براساس کاربرد مدنظر انتخاب کرد اما دیود سیلیکونی همیشه در وضعیت بایاس مستقیم به 0.6 الی 0.7 ولت افت می‌کند. البته ولتاژ منبع Vin باید بیشتر از بزرگترین ولتاژ مرجع خروجی باشد و در مثال ما (شکل بالا) بالاتر از این برابر با 19 ولت است.
یک دیود زنر رایج برای مدارات الکترونیکی، دیودهای 500 میلی واتی سری BZX55 یا بزرگتر : 1.3 واتی سری BZX85 هستند. که ولتاژ زنر برای مثال برای دیود 7.5 ولتی با شماره ارجاع دیود BZX55C7V5 به شکل : C7V5 داده میشود.
سری 500 میلی واتی دیودهای زنر از حدود 2.4 تا حدود 100 ولت در دسترس هستند و معمولاً دارای همان توالی مقادیری‌اند که برای سری مقاومت های 5٪ (E24) استفاده می شود، که لیست آنها به همراه نرخ ولتاژ جداگانه برای این دیودهای کوچک اما بسیار مفید در جدول زیر آورده شده است:
استاندارد ولتاژهای زنر دیود زنر
مدارهای Clipping با دیودهای زنر
تا اینجا به چگونگی استفاده از دیود زنر برای تنظیم منبع ثابت DC پرداختیم، اما اگر سیگنال ورودی در وضعیت ثابت DC نباشد و یک شکل موجب متناوب AC داشته باشد، دیود زنر چگونه به چنین سیگنالی که پیوسته درحال تغییر است پاسخ میدهد.
مدارات clipping و clamping برای شکل‌دهی یا تغییر یک شکل موج AC ورودی استفاده می‌شوند که بسته به چیدمان مدار شکل موج خروجی با شکلی متفاوت را تولید می‌کنند. مدارات clipper را محدودکننده هم می‌گویند زیرا بخش مثبت (یا منفی) سیگنال ورودی AC را قطع می‌کنند. با توجه به اینکه مدارات clipper بخشی از شکل موج را محدود می‌کنند لذا معمولا برای حفاظت از مدار و یا در مدارات شکل‌دهی شکل موج استفاده می‌شوند.
به عنوان مثال اگر بخواهیم یک شکل موج خروجی را در 7.5+ ولت برش دهیم (clipping)، از یک دیود زنر 7.5 ولتی استفاده می‌کنیم. اگر شکل موج خروجی سعی کند از محدودۀ 7.5 ولتی تجاوز کند، دیود زنر ولتاژ اضافی را از ورودی «جدا می‌کند» و شکل موجی با قسمت بالایی مسطح تولید می‌کند که خروجی به صورت ثابت در مقدار 7.5+ ولت باقی می‌ماند. توجه داشته باشید در حالت بایاس مستقیم، دیود زنر هنوز یک دیود است و وقتی خروجی شکل موج AC به زیر 0.7- ولت می‌رسد، مانند هر دیود سیلیکونی دیگری به حالت «ON» سوییچ میشود و خروجی را در 0.7- ولت قطع می‌کند.
سیگنال موج مربعی
از دیودهای زنری که به‌صورت پشت به پشت به هم وصل شده اند می‌توان به عنوان یک رگولاتور AC استفاده کرد که به شوخی به آنها «مولد موج مربعِ مرد فقیر» (poor man’s square wave generator) می‌گویند. با استفاده از این چیدمان می‌توانیم شکل موج را برای یک دیود زنر 7.5 ولتی بین مقدار مثبت 8.2+ ولت و مقدار منفی 8.2- ولت قطع کنیم.
لذا به عنوان مثال اگر بخواهیم یک شکل موج خروجی را بین دو مقدار مینیمم و ماکزیمم (مثلا 8+ ولت و 6- ولت) قطع کنیم، از دو دیود زنر با نرخ متفاوت استفاده می‌کنیم. توجه داشته باشید که خروجی در واقع به دلیل اضافه شدن ولتاژ دیود بایاس مستقیم، شکل موج AC را بین 8.7+ و 6.7- ولت قطع می‌کند.
به عبارت دیگر ولتاژ پیک تا پیک 15.6 ولت به جای 14 ولت در حین افت ولتاژ بایاس مستقیم در دیود، موجب افزودن 0.7 ولت دیگر در هر دو طرف میشود.
این نوع پیکربندی clipper برای حفاظت از مدار الکترونیکی در برابر سربار ولتاژ (over voltage) بسیار رایج است. دو زنر به طور کلی در سرتاسر پایانه های ورودی منبع تغذیه قرار می گیرند و در حین کارکرد عادی، یکی از دیودهای زنر “OFF” است و دیودها تأثیر کمی دارند یا هیچ تاثیری ندارند. اما اگر طول موج ولتاژ ورودی از حد خود بگذرد، در این صورت زنر به حالت «ON» سوییچ میشود و ورودی را قطع می‌کند تا از مدار محافظت کند.
