Diode bán dẫn có nhiều "nghề". Nó có thể chỉnh lưu điện áp, tháo mạch điện, bảo vệ thiết bị khỏi nguồn điện không phù hợp. Nhưng có một loại "công việc" của diode không hoàn toàn bình thường, khi đặc tính dẫn một chiều của nó được sử dụng rất gián tiếp. Một linh kiện bán dẫn mà chế độ bình thường là phân cực ngược được gọi là diode zener.
Nội dung
Diode zener là gì, nó được sử dụng ở đâu và là gì
Diode zener, hay diode Zener (được đặt theo tên một nhà khoa học người Mỹ, người đầu tiên nghiên cứu và mô tả các đặc tính của linh kiện bán dẫn này), là một diode thông thường có đường giao nhau p-n.Tính năng của nó là làm việc trong phần của đặc tính với phân cực âm, nghĩa là, khi điện áp được đặt vào phân cực ngược. Một diode như vậy được sử dụng như một bộ ổn định độc lập duy trì điện áp tiêu dùng không đổi, bất kể sự thay đổi của dòng tải và biến động của điện áp đầu vào. Ngoài ra, các nút trên điốt zener được sử dụng làm nguồn điện áp tham chiếu cho các bộ ổn định khác có mạch đã phát triển. Ít phổ biến hơn, một điốt ngược được sử dụng như một phần tử định hình xung hoặc bộ bảo vệ xung.
Có điốt zener thông thường và điốt hai cực dương. Điốt zener hai cực dương là hai điốt được kết nối ngược trở lại trong một vỏ. Nó có thể được thay thế bằng hai thiết bị riêng biệt, bao gồm chúng theo sơ đồ thích hợp.
Đặc tính vôn-ampe của diode zener và nguyên lý hoạt động của nó
Để hiểu nguyên lý hoạt động của một diode zener, cần phải nghiên cứu đặc tính dòng điện-điện áp điển hình (CVC) của nó.
Nếu một điện áp được đặt vào zener theo chiều thuận, như đối với một diode thông thường, thì nó sẽ hoạt động giống như một diode thông thường. Ở điện áp khoảng 0,6 V (đối với thiết bị silicon), nó sẽ mở và đi vào phần tuyến tính của đặc tính I-V. Về chủ đề của bài báo, hoạt động của một diode zener thú vị hơn khi áp dụng điện áp phân cực ngược (nhánh âm của đặc tính). Đầu tiên, điện trở của nó sẽ tăng mạnh và thiết bị sẽ ngừng truyền dòng điện. Nhưng khi đạt đến một giá trị điện áp nhất định, dòng điện tăng mạnh sẽ xảy ra, gọi là đánh thủng. Nó có một nhân vật tuyết lở, và biến mất sau khi sức mạnh bị loại bỏ.Nếu bạn tiếp tục tăng điện áp ngược, thì tiếp giáp p-n sẽ bắt đầu nóng lên và chuyển sang chế độ đánh thủng nhiệt. Sự cố nhiệt là không thể phục hồi và có nghĩa là sự cố của diode zener, vì vậy bạn không nên đặt diode vào chế độ này.
Một khu vực hoạt động thú vị của một thiết bị bán dẫn trong chế độ đánh thủng tuyết lở. Hình dạng của nó gần với tuyến tính và nó có độ dốc cao. Điều này có nghĩa là với sự thay đổi lớn trong dòng điện (ΔI), thì sự thay đổi điện áp rơi trên diode zener là tương đối nhỏ (ΔU). Và đây là sự ổn định.
Hành vi này khi áp dụng điện áp ngược là điển hình cho bất kỳ diode nào. Nhưng điểm đặc biệt của diode zener là các thông số của nó trong phần này của CVC được chuẩn hóa. Điện áp ổn định và độ dốc của nó được đưa ra (với độ lan tỏa nhất định) và là các thông số quan trọng quyết định sự phù hợp của thiết bị trong mạch. Bạn có thể tìm thấy chúng trong các sách tham khảo. Điốt thông thường cũng có thể được sử dụng như điốt zener - nếu bạn loại bỏ CVC của chúng và trong số chúng có một đặc tính phù hợp. Nhưng đây là một quá trình lâu dài, tốn nhiều công sức và kết quả không đảm bảo.
Các đặc điểm chính của diode zener
Để chọn một diode Zener cho các mục đích hiện có, bạn cần biết một số thông số quan trọng. Những đặc điểm này sẽ xác định mức độ phù hợp của thiết bị được chọn để giải quyết các công việc.
Định mức ổn định điện áp
Thông số đầu tiên của zener mà bạn cần chú ý khi chọn là điện áp ổn định, được xác định bởi điểm bắt đầu xảy ra sự cố tuyết lở. Nó bắt đầu với việc lựa chọn một thiết bị để sử dụng trong mạch.Đối với các trường hợp khác nhau của điốt zener thông thường, thậm chí cùng loại, điện áp có sự chênh lệch trong vùng vài phần trăm, đối với các điốt có độ chính xác thì sự khác biệt thấp hơn. Nếu điện áp danh định chưa biết, có thể xác định bằng cách lắp ráp một mạch đơn giản. Bạn nên chuẩn bị:
- điện trở chấn lưu 1 ... 3 kOhm;
- nguồn điện áp điều chỉnh được;
- vôn kế (bạn có thể sử dụng bút thử).
Cần nâng điện áp của nguồn điện từ 0, kiểm soát sự tăng điện áp ở diode zener bằng vôn kế. Tại một thời điểm nào đó, nó sẽ dừng lại, mặc dù điện áp đầu vào tăng hơn nữa. Đây là điện áp ổn định thực tế. Nếu không có nguồn điều chỉnh, bạn có thể sử dụng bộ nguồn có điện áp đầu ra không đổi rõ ràng là cao hơn Ustabilization. Sơ đồ và nguyên tắc đo lường vẫn như cũ. Nhưng có nguy cơ hỏng thiết bị bán dẫn do dòng điện hoạt động vượt quá.
Điốt Zener được sử dụng để làm việc với điện áp từ 2 ... 3 V đến 200 V. Để tạo thành điện áp ổn định dưới phạm vi này, các thiết bị khác được sử dụng - bộ ổn định hoạt động trong phần trực tiếp của CVC.
Phạm vi hoạt động hiện tại
Dòng điện mà điốt zener thực hiện chức năng của chúng bị giới hạn từ phía trên và phía dưới. Từ bên dưới, nó được giới hạn bởi phần đầu của đoạn tuyến tính của nhánh ngược của CVC. Ở dòng điện thấp hơn, đặc tính không cung cấp chế độ điện áp không đổi.
Giá trị trên bị giới hạn bởi mức tiêu tán công suất tối đa mà một linh kiện bán dẫn có thể có và phụ thuộc vào thiết kế của nó. Điốt Zener trong vỏ kim loại được thiết kế cho nhiều dòng điện hơn, nhưng đừng quên việc sử dụng tản nhiệt.Nếu không có chúng, công suất tiêu tán tối đa cho phép sẽ ít hơn đáng kể.
Kháng chênh lệch
Một tham số khác xác định hoạt động của diode zener là điện trở vi sai Rst. Nó được định nghĩa là tỷ số giữa sự thay đổi điện áp ΔU và sự thay đổi dòng điện ΔI đã gây ra nó. Giá trị này có thứ nguyên là điện trở và được đo bằng ohms. Về mặt đồ thị, đây là tiếp tuyến của độ dốc của mặt cắt làm việc của đặc tính. Rõ ràng, điện trở càng thấp thì chất lượng ổn định càng tốt. Đối với một diode zener lý tưởng (không tồn tại trong thực tế), Rst bằng 0 - bất kỳ sự gia tăng dòng điện nào sẽ không gây ra bất kỳ thay đổi nào về điện áp và phần đặc tính I-V sẽ song song với trục y.
Đánh dấu diode Zener
Điốt zener trong nước và nhập khẩu trong một vỏ kim loại được đánh dấu đơn giản và rõ ràng. Chúng được đánh dấu bằng tên của thiết bị và vị trí của cực dương và cực âm dưới dạng ký hiệu sơ đồ.
Các thiết bị trong hộp nhựa được đánh dấu bằng các vòng và chấm có nhiều màu sắc khác nhau trên mặt cực âm và cực dương. Bằng màu sắc và sự kết hợp của các ký tự, bạn có thể xác định loại thiết bị, nhưng đối với điều này, bạn phải xem sách tham khảo hoặc sử dụng các chương trình máy tính. Cả hai đều có thể được tìm thấy trên Internet.
Đôi khi một điện áp ổn định được áp dụng cho các điốt zener công suất thấp.
Mạch chuyển mạch diode Zener
Mạch chính để chuyển đổi trên một diode zener mắc nối tiếp với điện trở, thiết lập dòng điện qua thiết bị bán dẫn và nhận điện áp dư thừa. Hai yếu tố tạo nên ước số chung. Khi điện áp đầu vào thay đổi, sụt giảm trên diode zener không đổi, trong khi sụt giảm trên điện trở thay đổi.
Một mạch như vậy có thể được sử dụng độc lập và được gọi là bộ ổn định tham số. Nó duy trì điện áp ở tải không đổi, bất chấp sự dao động của điện áp đầu vào hoặc dòng điện được rút ra (trong giới hạn nhất định). Một khối tương tự cũng được sử dụng như một mạch phụ khi cần nguồn điện áp tham chiếu.
Việc bao gồm như vậy cũng được sử dụng như một biện pháp bảo vệ thiết bị nhạy cảm (cảm biến, v.v.) khỏi sự xuất hiện bất thường của điện áp cao trong nguồn hoặc đường dây đo lường (xung không đổi hoặc ngẫu nhiên). Bất kỳ thứ gì trên điện áp ổn định của thiết bị bán dẫn đều bị "cắt". Một sơ đồ như vậy được gọi là "hàng rào Zener".
Trước đây, đặc tính của diode zener để “cắt” các đỉnh điện áp đã được sử dụng rộng rãi trong các mạch tạo hình xung. Các thiết bị hai cực dương được sử dụng trong mạch điện xoay chiều.
Nhưng với sự phát triển của công nghệ bóng bán dẫn và sự ra đời của các mạch tích hợp, nguyên lý này ít được sử dụng.
Nếu không có diode zener ở tay cho điện áp mong muốn, nó có thể được tạo thành hai. Tổng điện áp ổn định sẽ bằng tổng của hai hiệu điện thế.
Quan trọng! Không kết nối song song điốt zener để tăng dòng hoạt động! Sự lan truyền của các đặc tính dòng điện-điện áp sẽ dẫn đến đầu ra của một điốt zener vào vùng có sự cố nhiệt, sau đó điốt thứ hai sẽ bị hỏng do vượt quá dòng tải.
Mặc dù trong tài liệu kỹ thuật thời Liên Xô cho phép song song bao gồm các zators song song, nhưng với điều kiện các thiết bị phải cùng loại và tổng công suất tiêu tán thực tế trong quá trình hoạt động không được vượt quá mức cho phép đối với một diode zener duy nhất. Có nghĩa là, không thể đạt được sự gia tăng dòng hoạt động trong điều kiện này.
Để tăng dòng tải cho phép, một sơ đồ khác được sử dụng. Bộ ổn định tham số được bổ sung với một bóng bán dẫn và một bộ theo bộ phát có được với tải trong mạch bộ phát và bộ ổn định điện áp cơ sở bóng bán dẫn.
Trong trường hợp này, điện áp đầu ra của bộ ổn định sẽ nhỏ hơn Điện áp ổn định bằng lượng điện áp giảm ở điểm giao nhau của bộ phát - đối với bóng bán dẫn silicon, khoảng 0,6 V. Để bù cho sự sụt giảm này, bạn có thể bật một điốt nối tiếp với diode zener theo hướng thuận.
Bằng cách này (bằng cách bật một hoặc nhiều điốt), bạn có thể điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ ổn định lên trong một phạm vi nhỏ. Nếu bạn cần tăng Uout một cách triệt để, tốt hơn nên bật thêm một diode zener mắc nối tiếp.
Phạm vi của diode zener trong các mạch điện tử rất rộng rãi. Với cách tiếp cận có ý thức về sự lựa chọn, thiết bị bán dẫn này sẽ giúp giải quyết nhiều vấn đề được giao cho nhà phát triển.
Các bài tương tự:
