ثنائيات زينر

المقدمة

تُعرف الثنائيات عمومًا بأنها جهاز يسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد (منحاز للأمام) ويوفر مقاومة لتدفق التيار عند استخدامه في انحياز عكسي. Zener Diode (سمي على اسم العالم الأمريكي C. Zener الذي شرح مبادئه التشغيلية لأول مرة) من ناحية أخرى ، لا يسمح فقط بتدفق التيار عند استخدامه في التحيز الأمامي ، ولكنه يسمح أيضًا بتدفق التيار عند استخدامه في التحيز العكسي حتى الآن ، يكون الجهد المطبق أعلى من جهد الانهيار المعروف باسم جهد انهيار Zener. أو بعبارة أخرى ، جهد الانهيار هو الجهد ، الذي يبدأ فيه Zener Diode بالتوصيل في الاتجاه العكسي.

المبدأ التشغيلي لثنائي زينر:

في الثنائيات العادية ، يكون جهد الانهيار مرتفعًا جدًا ويتلف الصمام الثنائي تمامًا إذا تم تطبيق جهد أعلى من الصمام الثنائي الانهيار ، ولكن في ثنائيات زينر ، فإن جهد الانهيار ليس مرتفعًا ولا يؤدي إلى تلف دائم في الصمام الثنائي زينر يتم تطبيق الجهد.

مع زيادة الجهد العكسي المطبق على الصمام الثنائي Zener باتجاه جهد الانهيار المحدد (Vz) ، يبدأ التيار بالتدفق عبر الصمام الثنائي ويعرف هذا التيار باسم Zener Current وتعرف هذه العملية باسم Avalanche Breakdown . يزيد التيار إلى أقصى حد ويستقر. يظل هذا التيار ثابتًا على النطاق الأوسع للجهد المطبق ويسمح للديود Zener بمقاومة الجهد العالي دون التعرض للتلف. يتم تحديد هذا التيار بواسطة المقاوم المتسلسل.

ضع في اعتبارك الصور أدناه للديود العادي أثناء العمل.

لإظهار عمليات الصمام الثنائي zener ، ضع في اعتبارك التجربتين (A و B) أدناه.

في التجربة أ ، يتم توصيل الصمام الثنائي زينر 12 فولت في منحاز عكسي كما هو موضح في الصورة ويمكن ملاحظة أن الصمام الثنائي زينر منع الجهد بشكل فعال لأنه كان أقل / يساوي جهد انهيار الصمام الثنائي زينر المحدد والمصباح بالتالي بقي بعيدا.

في التجربة B ، يتم إجراء الصمام الثنائي Zener 6 فولت المستخدم (المصباح يعمل) في منحاز عكسي لأن الجهد المطبق أكبر من جهد الانهيار وبالتالي يوضح أن منطقة الانهيار هي منطقة تشغيل الصمام الثنائي زينر.

يظهر منحنى خاصية الجهد الحالي للديود Zener أدناه.

من الرسم البياني ، يمكن استنتاج أن الصمام الثنائي زينر الذي يعمل في وضع التحيز العكسي سيكون له جهد ثابت إلى حد ما بغض النظر عن مقدار التيار المزود.

تطبيقات زينر ديود:

تستخدم ثنائيات زينر في ثلاثة تطبيقات رئيسية في الدوائر الإلكترونية ؛

1. تنظيم الجهد

2. مقص الموجي

3. شيفتر الجهد

1. زينر ديود كمنظم جهد

يمكن القول إن هذا هو التطبيق الأكثر شيوعًا لثنائيات زينر.

يعتمد تطبيق ثنائيات زينر بشكل كبير على قدرة ثنائيات زينر على الحفاظ على جهد ثابت بغض النظر عن الاختلافات في تيار العرض أو الحمل. تتمثل الوظيفة العامة لجهاز تنظيم الجهد في توفير جهد خرج ثابت لحمل متصل بالتوازي معه بغض النظر عن الاختلافات في الطاقة التي يسحبها الحمل (تيار الحمل) أو الاختلافات وعدم الاستقرار في جهد الإمداد.

سيوفر الصمام الثنائي Zener جهدًا ثابتًا شريطة أن يبقى التيار في نطاق الحد الأقصى والحد الأدنى للتيار العكسي.

يظهر الرسم البياني للدائرة الذي يوضح استخدام الصمام الثنائي Zener كمنظم للجهد أدناه.

يتم توصيل المقاوم ، R1 في سلسلة مع الصمام الثنائي زينر للحد من كمية التيار المتدفق عبر الصمام الثنائي ، ويتم توصيل جهد الإدخال Vin (الذي يجب أن يكون أكبر من جهد زينر) عبر كما هو موضح في الصورة والجهد الناتج Vout ، عبر الصمام الثنائي زينر مع Vout = Vz (Zener Voltage). نظرًا لأن خصائص التحيز العكسي للديود زينر هي ما يلزم لتنظيم الجهد ، فإنه متصل في وضع التحيز العكسي ، مع توصيل الكاثود بالسكة الموجبة للدائرة.

يجب توخي الحذر عند اختيار قيمة المقاوم R1 ، حيث ينتج عن المقاوم ذو القيمة الصغيرة تيار ديود كبير عند توصيل الحمل وهذا سيزيد من متطلبات تبديد الطاقة للديود الذي يمكن أن يصبح أعلى من الحد الأقصى لتصنيف الطاقة البالغ الزينر ويمكن أن يتلفه.

يمكن تحديد قيمة المقاوم المراد استخدامه باستخدام الصيغة أدناه.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z أين ؛ R1 هي قيمة مقاومة السلسلة. فين هو جهد الدخل. Vz وهو نفس Vout هو جهد Zener و Iz هو تيار zener.

باستخدام هذه الصيغة ، يصبح من السهل التأكد من أن قيمة المقاوم المحدد لا تؤدي إلى تدفق تيار أعلى مما يستطيع زينر التعامل معه.

إحدى المشكلات الصغيرة التي تواجهها دارات منظم زينر دايود هي أن زينر تولد أحيانًا ضوضاء كهربائية على سكة الإمداد أثناء القيام بمحاولات لتنظيم جهد الدخل. على الرغم من أن هذا قد لا يمثل مشكلة بالنسبة لمعظم التطبيقات ، إلا أنه قد يتم حل هذه المشكلة عن طريق إضافة مكثف فصل ذو قيمة كبيرة عبر الصمام الثنائي. هذا يساعد على استقرار خرج زينر.

2. زينر ديود كما الموجي كليبر

يتمثل أحد استخدامات الثنائيات العادية في تطبيق دوائر القص والربط وهي دوائر تُستخدم لتشكيل أو تعديل شكل موجة أو إشارة دخل تيار متردد ، مما ينتج إشارة خرج مختلفة الشكل اعتمادًا على مواصفات المقص أو clamper.

دارات كليبرز بشكل عام هي دوائر تستخدم لمنع إشارة خرج الدائرة من تجاوز قيمة الجهد المحددة مسبقًا دون تغيير أي جزء آخر من إشارة الإدخال أو شكل الموجة.

تُستخدم هذه الدوائر جنبًا إلى جنب مع المشابك على نطاق واسع في أجهزة الإرسال التليفزيونية التناظرية وراديو FM لإزالة التداخل (دوائر التثبيت) والحد من قمم الضوضاء عن طريق قطع قمم عالية.

نظرًا لأن ثنائيات زينر تتصرف بشكل عام مثل الثنائيات العادية عندما لا يكون الجهد المطبق مساويًا لجهد الانهيار ، فإنها تُستخدم أيضًا في دوائر القطع.

يمكن تصميم دوائر القطع لقص الإشارة إما في المنطقة الموجبة أو السلبية أو في كلا المنطقتين. على الرغم من أن الصمام الثنائي سيقطع بشكل طبيعي المنطقة الأخرى عند 0.7 فولت بغض النظر عما إذا كان قد تم تصميمه كمقص موجب أو سلبي.

على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك الدائرة أدناه.

تم تصميم دائرة المقص لقص إشارة الخرج عند 6.2 فولت ، لذلك تم استخدام صمام زينر 6.2 فولت. يمنع الصمام الثنائي زينر إشارة الخرج من تجاوز جهد زينر بغض النظر عن شكل موجة الإدخال. في هذا المثال بالذات ، تم استخدام جهد دخل 20 فولت وكان جهد الخرج على التأرجح الموجب 6.2 فولت بما يتوافق مع جهد الصمام الثنائي زينر. ومع ذلك ، أثناء التأرجح السلبي لجهد التيار المتردد ، يتصرف الصمام الثنائي زينر تمامًا مثل الصمام الثنائي العادي ويقطع جهد الخرج عند 0.7 فولت ، بما يتوافق مع ثنائيات السيليكون العادية.

لتنفيذ دائرة القطع للتأرجح السالب لدائرة التيار المتردد وكذلك التأرجح الموجب بطريقة يتم فيها قطع الجهد عند مستويات مختلفة على التأرجح الموجب والسالب ، يتم استخدام دائرة قص زينر مزدوجة. يظهر أدناه مخطط الدائرة لدائرة قص زينر المزدوجة.

في دائرة القطع أعلاه ، يمثل الجهد Vz2 الجهد على التأرجح السالب لمصدر التيار المتردد الذي يُطلب عنده قص إشارة الخرج ، بينما يمثل الجهد Vz1 الجهد عند التأرجح الإيجابي لمصدر التيار المتردد الذي عنده جهد الخرج المطلوب لقصها.

3. زينر ديود كمحول الجهد

يعد مبدل الجهد أحد أبسط تطبيقات الصمام الثنائي زينر ولكنها مثيرة للاهتمام. إذا كانت لديك خبرة خاصة في توصيل مستشعر 3.3 فولت بـ 5 فولت MCU ، ورأيت الأخطاء في القراءات ، وما إلى ذلك ، فإن هذا يمكن أن يؤدي إليها ، فسوف تقدر أهمية محولات الجهد. تساعد مبدلات الجهد على تحويل الإشارة من جهد إلى آخر ومع قدرة الصمام الثنائي زينر على الحفاظ على جهد خرج ثابت في منطقة الانهيار ، مما يجعلها مكونًا مثاليًا للعملية.

في محول الجهد القائم على الصمام الثنائي زينر ، تعمل الدائرة على خفض جهد الخرج بقيمة مساوية لجهد الانهيار الخاص بصمام زينر المحدد المستخدم. يتم توضيح مخطط الدائرة لمحول الجهد أدناه.

ضع في اعتبارك التجربة أدناه ،

تصف الدائرة مبدل جهد قائم على الصمام الثنائي الزينر 3.3 فولت. يُعطى جهد الخرج (3.72 فولت) للدائرة بطرح جهد الانهيار (3.3 فولت) من الصمام الثنائي زينر من جهد الدخل (7 فولت).

صوت = فين –Vz

الصوت = 7 - 3.3 = 3.7 فولت

يحتوي محول الجهد كما تم وصفه سابقًا على العديد من التطبيقات في تصميم الدوائر الإلكترونية الحديثة حيث قد يضطر مهندس التصميم إلى العمل مع ما يصل إلى ثلاثة مستويات مختلفة من الجهد في بعض الأحيان أثناء عملية التصميم.

أنواع ثنائيات زينر:

يتم تصنيف ثنائيات زينر إلى أنواع بناءً على عدة معايير تشمل ؛

1. الجهد الاسمي
2. تبديد الطاقة
3. محرك الأقراص الحالي
4. التيار المتجه للامام
5. نوع التغليف
6. أقصى تيار عكسي

الجهد الاسمي

يُعرف جهد التشغيل الاسمي للديود زينر أيضًا بجهد انهيار الصمام الثنائي زينر ، اعتمادًا على التطبيق الذي سيتم استخدام الصمام الثنائي من أجله ، وغالبًا ما يكون هذا هو أهم معايير اختيار الصمام الثنائي زينر.

تبديد الطاقة

هذا يمثل الحد الأقصى من الطاقة التي يمكن أن يبددها تيار زينر. يؤدي تجاوز تصنيف الطاقة هذا إلى زيادة مفرطة في درجة حرارة الصمام الثنائي الزينر مما قد يؤدي إلى إتلافه ويؤدي إلى تعطل الأشياء المتصلة به في الدائرة. وبالتالي يجب مراعاة هذا العامل عند اختيار الصمام الثنائي مع مراعاة الاستخدام.

أقصى تيار زينر

هذا هو الحد الأقصى للتيار الذي يمكن تمريره عبر الصمام الثنائي زينر بجهد زينر دون الإضرار بالجهاز.

الحد الأدنى من تيار زينر

يشير هذا إلى الحد الأدنى من التيار المطلوب لبدء تشغيل الصمام الثنائي زينر في منطقة الانهيار.

يجب مراعاة جميع المعلمات الأخرى التي تعمل كمواصفات للديود بشكل كامل قبل اتخاذ قرار بشأن نوع الصمام الثنائي الزينر اللازم لهذا التصميم الغريب.

استنتاج:

فيما يلي 5 نقاط يجب ألا تنساها أبدًا بشأن الصمام الثنائي زينر.

1. يعتبر الصمام الثنائي زينر مثل الصمام الثنائي العادي فقط حيث تم تخديره ليكون له جهد انهيار حاد.
2. يحافظ الصمام الثنائي Zener على جهد خرج ثابت بغض النظر عن جهد الدخل بشرط عدم تجاوز الحد الأقصى لتيار زينر.
3. عند التوصيل في اتجاه أمامي ، يتصرف الصمام الثنائي زينر تمامًا مثل الصمام الثنائي السيليكون العادي. إنه يعمل بنفس انخفاض الجهد بمقدار 0.7 فولت الذي يصاحب استخدام الصمام الثنائي العادي.
4. الحالة التشغيلية الافتراضية للديود زينر في منطقة الانهيار (منحازة عكسية). هذا يعني أنه يبدأ بالفعل في العمل عندما يكون الجهد المطبق أعلى من Zener Voltage في منحاز عكسي.
5. يستخدم الصمام الثنائي زينر في الغالب في التطبيقات التي تشمل تنظيم الجهد ودوائر القطع ومحولات الجهد.