Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener

Điốt Zener (Zener diode) còn gọi là điốt ổn áp, là một loại điốt bán dẫn làm việc ở chế độ phân cực ngược trên vùng điện áp đánh thủng (breakdown). Điện áp này còn gọi là điện áp Zener hay thác lở (avalanche). Khi đó giá trị điện áp ít thay đổi. Nó được chế tạo sao cho khi phân cực ngược thì điốt Zener sẽ ghim một mức điện áp gần cố định bằng giá trị ghi trên điốt, làm ổn áp cho mạch điện.

1200px Zener Diode
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 16

Điốt bán dẫn chặn dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Nó chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều mà không cho chạy theo hướng ngược lại. Điốt này có chức năng ổn áp tránh gây hỏng thiết bị khi bị quá áp. Đôi khi dòng điốt này còn gọi là Điốt Zener hay Diode Break.

Về cơ bản giống như diode tiếp giáp PN tiêu chuẩn nhưng chúng được thiết kế đặc biệt để có điện áp đảo ngược thấp và được chỉ định, tận dụng mọi điện áp ngược được áp dụng với nó. Vậy điốt zener là gìCấu tạo của điốt zener như thế nào? Xem thêm bài Mô hình tín hiệu nhỏ cho mạch DC và AC

Điốt Zener là gì?

Do tính chất dẫn điện một chiều nên điốt thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch ghim áp phân cực cho transistor hoạt động. Trong mạch chỉnh lưu điốt có thể được tích hợp thành điốt cầu.

Cấu tạo của Điốt Zener

Dòng điốt này có hai lớp bán dẫn P – N ghép với nhau, điốt Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược. Khi phân cực thuận điốt zener như điốt thường nhưng khi phân cực ngược điốt zener sẽ ghim lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên điốt.

cau tao cua zener diode 494x400 1
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 17

Ở đây, chất nền N và P được khuếch tán với nhau. Vùng tiếp giáp được phủ một lớp silicon đioxit (SiO2). Đồng thời trong quá trình thiết kế, toàn bộ tổ hợp được mạ kim loại để tạo ra kết nối cực dương và cực âm.

Lớp SiO2 giúp ngăn ngừa sự nhiễm bẩn của các mối nối. Vì vậy, được sử dụng trong việc thiết kế điốt zener.

Các điốt Zener thường có cấu tạo và cách hoạt động giống nhau. Nó hoạt động giống như một điốt tín hiệu bình thường đi qua các dòng điện định mức.

diode zener 1
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 18

Tuy nhiên, không giống điốt thông thường chặn dòng điện đi qua chính nó khi bị phân cực ngược. Khi Cathode có dòng chạy qua Anode, điện áp đạt tới giá trị nào đó, điốt zener sẽ hoạt động ngược lại.

Điều này là do khi điện áp ngược vượt quá điện áp định mức của thiết bị. Một quá trình gọi là Sự cố Avalanche xảy ra trong lớp suy giảm chất bán dẫn và một dòng điện bắt đầu chạy qua điốt để hạn chế tăng áp.

Dòng điện chạy qua điốt zener tăng đến giá trị cực đại (thường bị giới hạn bởi điện trở nối tiếp) và một khi đạt được, nó vẫn hoạt động ổn định trong phạm vi điện áp ngược.

Khi điện áp tại điốt zener trở nên ổn định được gọi là điện áp zener điện tử, ( Vz ) và đối với điốt zener, điện áp này có thể dao động từ dưới 1 volt đến vài trăm volt.

Điểm tại đó điện áp zener cho dòng điện chạy qua điốt có thể được điều khiển rất chính xác (dung sai dưới 1%) trong giai đoạn pha tạp của cấu trúc bán dẫn điốt tạo cho điốt một điện áp đánh thủng zener cụ thể, (Vz) cho ví dụ: 4.3V hoặc 7.5V. Điện áp đánh thủng zener trên đường cong IV gần như là một đường thẳng đứng.

Nguyên lý hoạt động của Zener Diode

diode zener 1 1
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 19

Các Zener điốt có điện áp đánh thủng ngược được xác định rõ, tại đó nó bắt đầu dẫn dòng điện và tiếp tục hoạt động liên tục ở chế độ phân cực ngược mà không bị hỏng. Ngoài ra, sự sụt giảm điện áp trên diode vẫn không đổi trong một phạm vi điện áp rộng, một tính năng làm cho điốt Zener phù hợp để sử dụng trong điều chỉnh điện áp.

cach hoat dong cua zener diode 533x400 1
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 20

Điốt Zener hoạt động giống như điốt thông thường khi ở chế độ phân cực thuận và có điện áp bật từ 0,3 đến 0,7 V. Tuy nhiên, khi được kết nối ở chế độ đảo ngược, thường thấy trong hầu hết các ứng dụng của nó, một dòng rò nhỏ có thể chảy. Khi điện áp ngược tăng lên đến điện áp đánh thủng được xác định trước (Vz), một dòng điện bắt đầu chạy qua diode. Dòng điện tăng đến mức tối đa, được xác định bởi điện trở nối tiếp, sau đó nó ổn định và không đổi trong một phạm vi rộng của điện áp ứng dụng.

Sự cố Zener

Sự cố là do hiệu ứng phân hủy Zener xảy ra dưới 5,5 V hoặc ion hóa tác động xảy ra trên 5,5 V. Cả hai cơ chế dẫn đến cùng một hành vi và không yêu cầu mạch khác nhau; tuy nhiên, mỗi cơ chế có một hệ số nhiệt độ khác nhau.

Hiệu ứng Zener có hệ số nhiệt độ âm trong khi hiệu ứng tác động trải qua hệ số dương. Hai hiệu ứng nhiệt độ gần như bằng nhau ở 5,5 V và triệt tiêu lẫn nhau để làm cho điốt Zener được định mức ở khoảng 5,5 V ổn định nhất trong một loạt các điều kiện nhiệt độ.

Thông số kỹ thuật của điốt Zener

Điốt Zener khác nhau về thông số kỹ thuật như điện áp, tản điện, dòng ngược tối đa và hình dáng. Một số thông số kỹ thuật thường được sử dụng bao gồm:

  • Điện áp Vz: Điện áp Zener dùng để chỉ điện áp sự cố đảo ngược 2.4 V đến khoảng 200 V; có thể lên tới 1 kV trong khi mức tối đa cho thiết bị gắn trên bề mặt (SMD) là khoảng 47 V).
  • Dòng điện (tối đa): Dòng điện tối đa ở điện áp Zener định mức Vz từ 200 µA đến 200 A).
  • Dòng điện (tối thiểu): Dòng điện tối thiểu cần thiết để diode hoạt động ổn áp là 5 mA và 10 mA.
  • Đánh giá công suất: Công suất tối đa của diode Zener được tính theo công thức lấy điện áp x dòng điện. Công suất diode zener thường có giá trị tiêu biểu là 400 mW, 500 mW, 1 W và 5 W; đối với bề mặt được gắn, 200 mW, 350 mW, 500 mW và 1 W là điển hình.
  • Dung sai điện áp: Thông thường ± 5%.
  • Ổn định nhiệt độ: Điốt khoảng 5 V có độ ổn định tốt nhất.
  • Hình dáng: Thiết bị có chì và giá treo bề mặt là thiết bị riêng biệt hoặc trong các mạch tích hợp.
  • Điện trở Zener (Rz): Điốt thể hiện một số điện trở như hiển nhiên từ các đặc tính IV (Vôn ampe).

Ứng dụng của điốt Zener

Điốt Zener được sử dụng để điều chỉnh điện áp, như các yếu tố tham chiếu, bộ triệt xung và trong các ứng dụng chuyển mạch và mạch clipper.

Bộ điều chỉnh điện áp

Điện áp tải bằng điện áp đánh thủng Vz của điốt. Điện trở nối tiếp giới hạn dòng điện qua điốt và giảm điện áp dư khi điốt đang dẫn.

zener diode basic operation fig3
Bộ điều chỉnh shunt điốt zener

Điốt Zener trong bảo vệ quá áp

Nếu điện áp đầu vào tăng đến một giá trị cao hơn điện áp đánh thủng Zener, dòng điện chạy qua điốt và tạo ra sụt áp trên điện trở; điều này kích hoạt SCR và tạo ra một mạch ngắn xuống đất. Đoản mạch sẽ mở cầu chì và ngắt kết nối tải khỏi nguồn cung cấp.

zener diode basic operation fig4 533x400 1
Mạch xà beng quá áp SCR

Mạch cắt điốt Zener

Điốt Zener được sử dụng để sửa đổi hoặc định hình các mạch cắt dạng sóng AC. Mạch cắt giới hạn hoặc cắt bỏ các phần của một hoặc cả hai nửa chu kỳ của dạng sóng AC để định hình dạng sóng hoặc bảo vệ.

diode zener 1 1
Mạch cắt diode Zener

Bộ điều chỉnh điốt Zener

Điốt Zener có thể được sử dụng để tạo ra một đầu ra điện áp ổn định với độ gợn thấp trong các điều kiện dòng tải khác nhau. Bằng cách truyền một dòng điện nhỏ qua diode từ nguồn điện áp, thông qua một điện trở giới hạn dòng thích hợp (RS), điốt zener sẽ dẫn dòng điện đủ để duy trì sự sụt giảm điện áp của V out .

Chúng tôi nhớ từ các hướng dẫn trước rằng điện áp đầu ra DC từ bộ chỉnh lưu một nửa hoặc toàn sóng chứa gợn được đặt chồng lên điện áp DC và khi giá trị tải thay đổi để làm điện áp đầu ra trung bình. Bằng cách kết nối một mạch ổn định zener đơn giản như dưới đây trên đầu ra của bộ chỉnh lưu, một điện áp đầu ra ổn định hơn có thể được tạo ra.

Ổn áp với điốt zener

Diode Zener 2
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 21

Điện trở, RS được kết nối nối tiếp với diode zener để hạn chế dòng điện đi qua điốt với nguồn điện áp, VS được kết nối qua tổ hợp. Điện áp đầu ra ổn định Vout được lấy từ trên các điốt zener.

Điốt zener được kết nối với cực âm cực của nó được kết nối với cực dương của nguồn cung cấp DC để nó bị phân cực ngược và sẽ hoạt động với vai trò ổn áp. Điện trở RS được chọn để hạn chế dòng điện cực đại chạy trong mạch.

Khi không có tải kết nối với mạch, dòng tải sẽ bằng 0, (IL=0) và tất cả dòng điện đi qua điốt zener sẽ lần lượt tiêu tán công suất cực đại của nó. Ngoài ra, một giá trị nhỏ của điện trở RS sẽ dẫn đến dòng điốt lớn hơn khi điện trở tải RL được kết nối và lớn vì điều này sẽ làm tăng yêu cầu tiêu tán công suất của điốt vì vậy phải cẩn thận khi chọn trở kháng sao cho mức công suất tối đa của zener không bị vượt quá trong điều kiện không tải hoặc có tải nặng.

Tải được kết nối song song với điốt zener, do đó điện áp trên RL luôn giống với điện áp zener, (VR=VZ). Có một dòng zener tối thiểu mà sự ổn định của điện áp có hiệu quả và dòng zener phải luôn ở trên giá trị này hoạt động dưới tải trong khu vực sự cố của nó mọi lúc. Giới hạn trên của dòng điện dĩ nhiên phụ thuộc vào định mức công suất của thiết bị. Việc cung cấp điện áp VS phải lớn hơn VZ.

Một vấn đề nhỏ với các mạch ổn định điốt zener là đôi khi điốt có thể tạo ra nhiễu điện trên đầu nguồn DC khi nó cố gắng ổn định điện áp. Thông thường, đây không phải là vấn đề đối với hầu hết các ứng dụng, nhưng việc bổ sung một tụ điện tách rời có giá trị lớn trên đầu ra của zener có thể được yêu cầu để làm mịn thêm.

Sau đó để tóm tắt một chút. Một điốt zener luôn được vận hành trong điều kiện sai lệch ngược của nó. Do đó, một mạch ổn áp đơn giản như vậy có thể được thiết kế bằng cách sử dụng điốt zener để duy trì điện áp đầu ra DC không đổi trên tải mặc dù có sự thay đổi của điện áp đầu vào hoặc thay đổi dòng điện tải.

Các điều chỉnh điện áp zener bao gồm một giới hạn điện trở hiện tại RS nối tiếp với điện áp đầu vào VS với các điốt zener nối song song với tải RL trong tình trạng thiên vị ngược này. Điện áp đầu ra ổn định luôn được chọn giống như điện áp đánh thủng VZ của điốt.

Ví dụ điốt Zener số 1

Cần phải cung cấp nguồn ổn định 5.0V từ nguồn đầu vào nguồn DC. Công suất tối đa PZ của điốt zener là 2W. Sử dụng mạch điều chỉnh zener ở trên tính toán:

a).  Dòng điện cực đại chạy qua điốt zener.

Diode Zener 3
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 22

b).  Giá trị tối thiểu của điện trở nối tiếp, RS

Diode Zener 4
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 23

c).  Dòng tải IL nếu điện trở tải 1kΩ được kết nối qua điốt zener.

Diode Zener ̀8
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 24

d). Dòng điện zener IZ ở mức đầy tải.

Diode Zener ̀5
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 25

Điện áp điốt Zener

Cùng với việc tạo ra một đầu ra điện áp ổn định duy nhất, điốt zener cũng có thể được kết nối với nhau theo chuỗi cùng với các điốt tín hiệu silicon thông thường để tạo ra nhiều giá trị đầu ra điện áp tham chiếu khác nhau như dưới đây.

Điốt Zener được mắc nối tiếp

Diode Zener ̀6
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 26

Các giá trị của các điốt Zener riêng lẻ có thể được chọn để phù hợp với ứng dụng trong khi điốt silicon sẽ luôn giảm khoảng 0,6 – 0,7V trong điều kiện phân cực thuận. Điện áp cung cấp, Vin tất nhiên phải cao hơn điện áp tham chiếu đầu ra lớn nhất và trong ví dụ của chúng tôi ở trên đây là 19v.

Một điển hình điốt zener cho các mạch điện tử nói chung là 500MW, BZX55 loạt hoặc 1.3W lớn hơn, BZX85 loạt là điện áp zener được đưa ra như, ví dụ, C7V5 cho một diode 7.5V đưa ra một số tài liệu tham khảo điốt của BZX55C7V5 .

Chuỗi điốt zener 500mW có sẵn từ khoảng 2,4 đến khoảng 100 volt và thường có cùng một chuỗi các giá trị được sử dụng cho loạt điện trở 5% (E24) với xếp hạng điện áp riêng cho các điốt nhỏ nhưng rất hữu ích này được đưa ra trong bảng dưới đây.

Điện áp Diode Zener tiêu chuẩn

Xếp hạng công suất điốt BZX55 Zener 500mW
2.4V2.7V3.0V3,3V3,6V3.9V4.3V4,7V
5,1V5,6V6.2V6,8V7.5V8.2V9,1V10V
11V12 V13V15V16V18V20V22V
24 V27V30V33V36V39V43V47V
Xếp hạng công suất điốt BZX85 Zener 1.3W
3,3V3,6V3.9V4.3V4,7V5,1V5,66.2V
6,8V7.5V8.2V9,1V10V11V12 V13V
15V16V18V20V22V24 V27V30V
33V36V39V43V47V51V56V62V

Mạch cắt điốt Zener

Cho đến nay chúng ta đã xem xét làm thế nào một điốt zener có thể được sử dụng để điều chỉnh nguồn DC không đổi nhưng nếu tín hiệu đầu vào không phải là trạng thái ổn định DC mà là dạng sóng xoay chiều xoay chiều thì điốt zener sẽ phản ứng thế nào với tín hiệu thay đổi liên tục.

Mạch cắt và kẹp điốt là các mạch được sử dụng để định hình hoặc sửa đổi dạng sóng AC đầu vào (hoặc bất kỳ hình sin) nào tạo ra dạng sóng đầu ra có hình dạng khác nhau tùy theo cách sắp xếp mạch. Mạch clip clip điốt cũng được gọi là bộ giới hạn bởi vì chúng giới hạn hoặc cắt bỏ phần dương (hoặc âm) của tín hiệu AC đầu vào. Vì các mạch clipper zener giới hạn hoặc cắt một phần của dạng sóng trên chúng, chúng chủ yếu được sử dụng để bảo vệ mạch hoặc trong các mạch định hình dạng sóng.

Ví dụ: nếu chúng ta muốn cắt một dạng sóng đầu ra ở mức + 7.5V, chúng ta sẽ sử dụng điốt zener 7.5V. Nếu dạng sóng đầu ra cố gắng vượt quá giới hạn 7.5V, điốt zener sẽ loại bỏ điện áp dư thừa từ đầu vào tạo ra dạng sóng có đỉnh phẳng vẫn giữ đầu ra không đổi ở mức + 7.5V. Lưu ý rằng trong điều kiện phân cực thuận, điốt zener vẫn là một điốt và khi đầu ra dạng sóng AC âm xuống dưới -0,7V, điốt zener sẽ chuyển đổi giống như bất kỳ điốt silicon thông thường nào và cắt đầu ra ở -0,7V như được hiển thị phía dưới.

cach hoat dong cua zener diode 533x400 1
Điốt zener là gì? Cấu tạo và ứng dụng của zener 27

Tín hiệu sóng vuông

Các điốt zener được kết nối trở lại có thể được sử dụng như một bộ điều chỉnh AC tạo ra cái gọi đùa là máy phát sóng vuông của một người nghèo nghèo. Sử dụng sự sắp xếp này, chúng ta có thể cắt dạng sóng giữa giá trị dương + 8.2V và giá trị âm -8.2V cho điốt zener 7.5V.

Vì vậy, ví dụ, nếu chúng ta muốn cắt một dạng sóng đầu ra giữa hai giá trị tối thiểu và tối đa khác nhau, + 8V và -6V, chúng ta chỉ cần sử dụng hai điốt zener được xếp hạng khác nhau. Lưu ý rằng đầu ra thực sự sẽ cắt dạng sóng AC trong khoảng từ + 8,7V đến -6,7V do có thêm điện áp diode phân cực thuận.

Nói cách khác, điện áp cực đại đến cực đại là 15,4 volt thay vì 14 volt dự kiến, vì điện áp phân cực thuận giảm trên điốt tăng thêm 0,7 volt cho mỗi hướng.

Kiểu cấu hình clipper này khá phổ biến để bảo vệ mạch điện tử khỏi quá điện áp. Hai zener thường được đặt trên các đầu vào đầu vào nguồn điện và trong quá trình hoạt động bình thường, một trong các điốt zener là OFF và các điốt có ít hoặc không ảnh hưởng. Tuy nhiên, nếu dạng sóng điện áp đầu vào vượt quá giới hạn của nó, thì biến zener của ON zener và cắt đầu vào để bảo vệ mạch.

Trong hướng dẫn tiếp theo về điốt , chúng ta sẽ xem xét sử dụng đường nối PN phân cực thuận của một điốt để tạo ra ánh sáng. Chúng ta biết từ các hướng dẫn trước rằng khi các hạt mang điện di chuyển qua đường giao nhau, các electron kết hợp với lỗ trống và năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt, nhưng cũng có một phần năng lượng này bị tiêu tán dưới dạng photon nhưng chúng ta không thể nhìn thấy chúng.

Nếu chúng ta đặt một thấu kính mờ xung quanh đường giao nhau, ánh sáng khả kiến ​​sẽ được tạo ra và diode trở thành nguồn sáng. Hiệu ứng này tạo ra một loại diode khác thường được gọi là Điốt phát sáng, lợi dụng đặc tính tạo ra ánh sáng này để phát ra ánh sáng (photon) trong nhiều màu sắc và bước sóng khác nhau.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Ads Blocker Image Powered by Code Help Pro

Vui lòng bỏ chặn quảng cáo!

Chúng tôi đã phát hiện ra rằng bạn đang sử dụng tiện ích mở rộng để chặn quảng cáo.  Hãy ủng hộ chúng tôi bằng cách vô hiệu hóa các trình chặn quảng cáo này.

Powered By
100% Free SEO Tools - Tool Kits PRO
Chat Zalo

0914969904

error: Đừng cố copy bạn ơiiii :((