Diod Zener ialah jenis diod khas yang membolehkan arus mengalir secara terbalik sebaik sahaja voltan mencapai nilai yang ditetapkan, dipanggil voltan Zener. Ia mengekalkan voltan stabil dan melindungi litar daripada perubahan mendadak. Artikel ini menerangkan secara terperinci cara diod Zener berfungsi, jenis, kegunaan dan isu kebolehpercayaan biasa.
Asas Diod Zener dan
Diod Zener ialah peranti semikonduktor yang direka bentuk yang membolehkan arus mengalir bukan sahaja ke arah hadapan, seperti diod standard, tetapi juga ke arah songsang sebaik sahaja voltan tertentu, yang dipanggil Voltan Pecahan Zener (Vz), dicapai. Daripada rosak oleh voltan terbalik seperti diod biasa, diod Zener dibangunkan untuk beroperasi dengan selamat di kawasan kerosakan ini. Ciri unik ini menjadikannya sesuai untuk peraturan voltan, litar rujukan voltan dan perlindungan voltan lebih.
Apabila voltan terbalik yang digunakan merentasi diod Zener melebihi voltan Zener undian (contohnya, 3.3V, 5.1V atau 12V), ia mengekalkan voltan hampir malar merentasi terminalnya, walaupun voltan input atau arus beban berubah. Keupayaan untuk menstabilkan voltan ini menjadikannya digunakan secara meluas dalam bekalan kuasa dan litar elektronik yang memerlukan tahap voltan yang boleh dipercayai.
Fizik Di Sebalik Kerosakan Zener dan Kerosakan Avalanche
Imej menunjukkan ciri-ciri IV (voltan arus) diod Zener, menggambarkan cara ia berkelakuan di bawah kedua-dua keadaan berat sebelah ke hadapan dan terbalik. Ia menyerlahkan dua mekanisme pecahan: Pecahan Zener dan Pecahan Avalanche, yang berlaku di kawasan terbalik graf.
Di rantau hadapan, diod mula mengalirkan arus sebaik sahaja voltan hadapan melebihi ambang tertentu yang dikenali sebagai voltan hidupan (VT), seperti diod persimpangan PN biasa. Arus meningkat dengan cepat dengan voltan di rantau ini.
Di kawasan terbalik, diod pada mulanya menyekat arus sehingga voltan terbalik mencapai nilai tertentu. Dua senario boleh berlaku:
• Pecahan Zener (VZ): Untuk diod dengan voltan pecahan di bawah kira-kira 5–6V, kesan terowong mekanikal kuantum yang dipanggil pecahan Zener mendominasi. Diod dengan selamat mengalirkan arus songsang yang besar sambil mengekalkan voltan yang hampir malar. Ini dieksploitasi dalam peraturan voltan.
• Pecahan Avalanche (VB): Pada voltan terbalik yang lebih tinggi, pengionan hentaman membawa kepada kerosakan runtuhan salji. Ini juga menghasilkan pengaliran tetapi digunakan dalam aplikasi voltan yang lebih tinggi.
Perbezaan Antara Diod Standard dan Diod Zener
| Ciri-ciri | Diod Standard | Diod Zener |
|---|---|---|
| Tujuan | Pembetulan (penukaran AC kepada DC) | Peraturan dan perlindungan voltan |
| Operasi Terbalik | Menyekat arus sehingga kerosakan yang merosakkan | Membenarkan arus songsang pada voltan Zener undian |
| Reka bentuk | Persimpangan PN tujuan umum | Doping untuk tingkah laku kerosakan yang tepat dan selamat |
| Penggunaan Biasa | Penerus, gunting isyarat | Rujukan voltan, litar linggis, pengawal selia |
| Pecahan Terbalik | Tidak terkawal dan merosakkan | Mod operasi terkawal dan normal |
Menggunakan Diod Zener untuk Memastikan Voltan Stabil
Diod Zener ialah bahagian elektronik khas yang boleh membantu mengekalkan voltan pada tahap yang stabil. Ini berguna apabila bekalan kuasa anda memberikan lebih banyak voltan daripada keperluan litar anda. Zener membantu dengan mengawal jumlah voltan yang pergi ke beban (bahagian litar yang menggunakan kuasa).
Untuk menyediakannya, anda menyambungkan perintang dan diod Zener. Perintang pergi dahulu, disambungkan ke sumber kuasa. Diod Zener diletakkan ke belakang (dalam kecenderungan songsang) merentasi beban. Ini mungkin terdengar ganjil, tetapi diod Zener dibina untuk berfungsi seperti ini. Apabila voltan menjadi terlalu tinggi, Zener dihidupkan dan membenarkan arus tambahan mengalir, mengekalkan voltan pada tahap undian (dipanggil voltan Zener).
Tetapi perintang adalah sama seperti yang diperlukan; ia mengehadkan arus yang masuk ke dalam diod Zener dan beban. Tanpa perintang ini, terlalu banyak arus boleh merosakkan diod atau bahagian lain dalam litar anda.
Untuk memilih perintang yang betul, anda boleh menggunakan formula mudah:
Inilah maksud simbol tersebut:
• Vin: Voltan daripada bekalan kuasa anda.
• Vz: Voltan yang anda mahukan merentasi beban anda (voltan Zener).
• Iz: Arus melalui diod Zener perlu berfungsi dengan betul.
• Iload: Arus yang digunakan oleh beban anda.
Sebaik sahaja anda memasukkan nombor ke dalam formula, ia memberi anda nilai perintang yang anda perlukan. Tidak mengapa untuk menggunakan nilai perintang yang lebih besar seterusnya jika yang tepat tidak tersedia.
Jenis Pengatur Voltan Diod Zener
Pengawal Selia Pintasan
Dalam pengawal selia pintasan, diod Zener disambungkan selari dengan beban. Ini bermakna ia terletak di dua titik yang sama yang disambungkan kepada beban. Apabila voltan melebihi takat pecahan Zener, ia mula mengalirkan dan menghalang voltan daripada meningkat terlalu tinggi.
Pengawal selia Siri
Dalam pengawal selia bersiri, diod Zener digunakan secara berbeza. Daripada mengawal voltan terus merentasi beban, Zener digunakan untuk memberikan voltan rujukan kepada asas transistor (BJT). Transistor duduk secara bersiri dengan beban, bermakna ia selaras dengan laluan semasa.
Diod Zener dengan Transistor atau Op-Amp Buffer
Zener dengan Pengikut Pemancar BJT
Cara biasa untuk meningkatkan pengendalian arus ialah dengan menyambungkan transistor persimpangan bipolar (BJT) dalam konfigurasi pengikut pemancar (pengumpul biasa). Begini cara ia berfungsi:
• Diod Zener diletakkan dalam berat sebelah terbalik dan disambungkan ke pangkal BJT.
• Pemancar transistor menjadi output terkawal baharu.
• Voltan keluaran adalah kira-kira:
Persediaan ini memunggah beban arus daripada Zener ke transistor, membolehkannya membekalkan arus beban yang lebih tinggi tanpa menjejaskan peraturan voltan. Zener kini hanya perlu membekalkan arus asas kecil transistor.
Zener dengan Op-Amp Buffer
Untuk pengawalseliaan voltan yang lebih tepat, terutamanya dalam litar analog atau sensitif, anda boleh menyambungkan Zener kepada input bukan penyongsangan op-amp yang dikonfigurasikan sebagai pengikut voltan (penimbal). Ini menawarkan dua faedah utama:
• Impedans input tinggi: Op-amp hampir tiada arus daripada Zener, memastikan voltan Zener stabil
• Impedans keluaran rendah: Ia boleh memacu beban tanpa menyebabkan penurunan voltan
Ini menjadikan persediaan Zener penimbal op-amp sesuai untuk digunakan sebagai rujukan voltan yang stabil dalam litar analog, rujukan ADC atau litar berat sebelah penderia.
Bunyi Diod Zener dan Pengendalian Sementara
Pengurangan Bunyi
Apabila diod Zener beroperasi di kawasan pecahannya, turun naik voltan rawak kecil yang dipanggil bunyi boleh muncul. Untuk mengurangkannya, kapasitor pintasan (sekitar 100 nF) disambungkan terus merentasi diod Zener. Kapasitor ini melicinkan perubahan voltan pantas dan menapis bunyi frekuensi tinggi, memastikan voltan keluaran lebih stabil.
Perlindungan sementara
Talian kuasa atau litar pensuisan boleh menjana lonjakan voltan secara tiba-tiba yang dikenali sebagai transien. Ini boleh menekankan diod Zener atau komponen yang disambungkan. Menambah litar snubber, gabungan perintang dan kapasitor secara bersiri, membantu menyerap pancang ini dan melindungi litar daripada lonjakan secara tiba-tiba.
Riak dan Kestabilan Bekalan
Jika voltan input mempunyai riak (variasi AC kecil pada isyarat DC), output Zener juga boleh berubah-ubah. Untuk mengurangkan riak:
• Gunakan perintang siri yang lebih besar (Rs) untuk mengehadkan variasi arus
• Tambah kapasitor pukal pada input untuk melicinkan voltan bekalan
• Pastikan arus Zener dalam julat operasi undian untuk prestasi yang stabil
Keratan Diod Zener dan Mengehadkan Litar
Keratan Zener Tunggal
Apabila diod Zener tunggal disambungkan dalam berat sebelah terbalik merentasi talian isyarat, ia mula mengalir sebaik sahaja voltan isyarat melebihi voltan Zener. Ini menghalang isyarat daripada meningkat di atas paras itu, dengan berkesan memotong sebarang voltan berlebihan. Ia biasanya digunakan untuk melindungi input litar sensitif atau untuk mencipta had bentuk gelombang terkawal.
Zener Berturut-turut untuk Isyarat AC
Untuk isyarat berselang-seli, dua diod Zener diletakkan berturut-turut (dalam arah yang bertentangan). Susunan ini membolehkan litar memotong kedua-dua puncak positif dan negatif secara simetri, mengekalkan bentuk gelombang dalam julat voltan tetap. Teknik ini sering digunakan dalam pemprosesan audio atau pembentukan gelombang untuk mengelakkan herotan atau melindungi input penguat.
Pengehadan Voltan dan Perlindungan Input
Diod Zener juga berfungsi dengan baik sebagai pengehad voltan untuk sistem digital. Mereka boleh melindungi pin input mikropengawal, IC logik atau ADC daripada lonjakan voltan yang mungkin merosakkannya. Apabila voltan meningkat melebihi ambang Zener, diod mengalirkan dan mengapit voltan dengan selamat dalam had.
Kebolehpercayaan dan Mod Kegagalan Diod Zener
Punca Biasa Kemerosotan Diod Zener
| Punca | Penerangan | Kesan pada Diod Zener |
|---|---|---|
| Pelesapan Kuasa Berlebihan | Apabila Zener menghilangkan lebih banyak kuasa daripada had undian (P = V~Z~ × I~Z~), haba terkumpul di dalam persimpangan. | Kerosakan haba kekal atau hanyut dalam voltan Zener. |
| Arus Lonjakan Berulang | Lonjakan voltan yang kerap atau arus masuk menyebabkan aliran arus yang ringkas tetapi sengit melalui diod. | Keletihan persimpangan, mengakibatkan peningkatan kebocoran atau kegagalan separa. |
| Pelepasan Elektrostatik (ESD) | Nahcas statik voltan tinggi secara tiba-tiba daripada pengendalian atau litar berdekatan. | Mencipta seluar pendek mikro di persimpangan, menyebabkan kebocoran atau litar pintas lengkap. |
| Operasi Voltan Berlebihan | Menggunakan Zener dekat atau di atas voltan terbalik maksimum untuk tempoh yang lama. | Pecahan persimpangan PN secara beransur-ansur dan kehilangan kestabilan voltan. |
Amalan Reka Bentuk Pencegahan
| Kaedah Pencegahan | Tujuan | Faedah |
|---|---|---|
| Kurangkan Kuasa (60–70% daripada nilai undian) | Mengehadkan pembentukan haba semasa operasi. | Memanjangkan jangka hayat diod dan menghalang tekanan haba. |
| Gunakan Perintang Mengehad Arus | Mengawal arus melalui Zener semasa lonjakan voltan. | Melindungi daripada keadaan arus berlebihan secara tiba-tiba. |
| Tambah Diod TVS dalam Litar Voltan Tinggi | Menyediakan penyerapan lonjakan yang cepat semasa sementara. | Melindungi Zener dan komponen berdekatan daripada denyutan bertenaga tinggi. |
| Pastikan Pelesapan Haba yang Betul | Gunakan kawasan tembaga PCB atau sink haba jika perlu. | Mengekalkan suhu persimpangan dalam had selamat. |
Kesimpulannya
Diod Zener ialah komponen yang boleh dipercayai untuk mengekalkan voltan malar dan mengelakkan kerosakan akibat lonjakan. Tingkah laku kerosakan unik mereka membolehkan mereka mengawal kuasa dan melindungi bahagian sensitif litar. Dengan reka bentuk dan kawalan semasa yang betul, mereka memberikan prestasi yang tahan lama dan stabil dalam aplikasi peraturan dan perlindungan voltan.
Soalan Lazim [Soalan Lazim]
Apakah simbol diod Zener?
Ia kelihatan seperti simbol diod biasa tetapi dengan tepi bengkok pada garisan katod, menunjukkan bahawa ia mengalir secara terbalik apabila voltan Zener dicapai.
Bagaimanakah suhu menjejaskan voltan Zener?
Voltan Zener berkurangan dengan suhu untuk diod di bawah 5.6 V dan meningkat untuk diod di atas 5.6 V. Sekitar 5.6 V, ia kekal hampir stabil.
Bagaimana untuk menguji diod Zener dengan multimeter?
Dalam mod diod, kecenderungan ke hadapan menunjukkan kira-kira 0.6–0.7 V, dan kecenderungan songsang menunjukkan terbuka. Untuk memeriksa voltan Zener, kuasakannya secara terbalik dengan perintang dan ukur voltan stabil.
Apakah yang mentakrifkan penarafan kuasa diod Zener?
Ia adalah hasil daripada voltan dan arus Zener (P = VZ × IZ). Penarafan biasa ialah 0.25 W, 0.5 W dan 1 W, menunjukkan jumlah kuasa yang boleh dikendalikan oleh diod dengan selamat.
Apakah rintangan dinamik dalam diod Zener?
Ia adalah perubahan voltan kecil dibahagikan dengan perubahan semasa di kawasan kerosakan. Rintangan dinamik yang lebih rendah bermakna kestabilan voltan yang lebih baik.
Bolehkah diod Zener mengawal voltan AC?
Ya, apabila dua Zener disambungkan berturut-turut, mereka boleh memotong kedua-dua puncak positif dan negatif, mengehadkan ayunan voltan AC.