Diode Zener là gì, cấu tạo điốt Zener

Diode Zener (Zener diode) còn gọi là diode 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 diode, làm ổn áp cho mạch điện.

Diode bán dẫn (điốt bán dẫn) chặn đòng điện chạy theo hướng ngược lại. Nó chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều mà không cho chạy theo hướng ngược lại. Diode này có chức năng ổn áp tránh gây hỏng thiết bị khi bị quá áp. Đôi khi dòng điot này còn gọi là Diode Zener Diode 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 diode zener là gì? Cấu tạo của điốt zener như thế nào? Xem thêm bài điốt là gì?

Diode Zener là gì (What is a Diode Zener)

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

Cấu tạo của Diode Zener

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

Ở đây, chất nền N và P được khuếch tán với nhau. Vùng tiếp giáp được phủ một lớp silicon dioxide (SiO ₂ ). 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 SiO ₂ giúp ngăn ngừa sự nhiễm bẩn của các mối nối. Vì vậy, được sử dụng trong việc thiết kế diode zener.

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

Tuy nhiên, không giống diode thông thường chặn dòng điện đi qua chính nó khi bị phân cực ngược. Khi Cathode trở nên tích cực hơn Anode, điện áp đạt tới giá trị nào đó, diode 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 diode để hạn chế tăng áp.

Dòng điện chạy qua diode 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 diode 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 diode 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 diode 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

Các Zener Dioder 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.

Diode Zener hoạt động giống như diode 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, a 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 diode 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 uA đến 200 A).
• Dòng điện (tối thiểu): Dòng điện tối thiểu cần thiết để diode phá vỡ 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): Diode thể hiện một số điện trở như hiển nhiên từ các đặc tính IV.

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 ( R _S ), diode 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.

Bộ điều chỉnh điốt Zener

Điện trở, R _S được kết nối nối tiếp với diode zener để hạn chế dòng điện đi qua diode với nguồn điện áp, V _S được kết nối qua tổ hợp. Điện áp đầu ra ổn định V _ra được lấy từ trên các diode zener.

Diode zener được kết nối với cực âm cực của nó được kết nối với đường ray dương của nguồn cung cấp DC để nó bị phân cực ngược và sẽ hoạt động trong điều kiện sự cố. Điện trở R _S 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, (  I _L  = 0  ) và tất cả dòng điện đi qua diode zener sẽ lần lượt tiêu tán công suất cực đại của nó. Ngoài ra, một giá trị nhỏ của điện trở sê-ri R _S sẽ dẫn đến dòng diode lớn hơn khi điện trở tải R _L được kết nối và lớn vì điều này sẽ làm tăng yêu cầu tiêu tán công suất của diode vì vậy phải cẩn thận khi chọn giá trị phù hợp của sê-ri trở kháng sao cho mức công suất tối đa của zener không bị vượt quá trong điều kiện không tải hoặc trở kháng cao này.

Tải được kết nối song song với diode zener, do đó điện áp trên R _L luôn giống với điện áp zener, (  V _R  = V _Z  ). 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 V _S phải lớn hơn V _Z .

Một vấn đề nhỏ với các mạch ổn định diode zener là đôi khi diode 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 diode 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 diode 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 R _S nối tiếp với điện áp đầu vào V _S với các diode zener nối song song với tải R _L trong tình trạng thiên vị ngược này. Điện áp đầu ra ổn định luôn được chọn giống như điện áp đánh thủng V _Z của diode.

Ví dụ điốt Zener số 1

Cần phải cung cấp nguồn ổn định 5.0V từ nguồn đầu vào nguồn DC DC. Xếp hạng công suất tối đa P _Z của diode zener là 2W. Sử dụng mạch điều chỉnh zener ở trên tính toán:

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

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

c).  Dòng tải I _L nếu điện trở tải 1kΩ được kết nối qua diode zener.

Cười mở miệng).  Dòng điện zener I _Z ở mức đầy tải.

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

Các giá trị của các điốt Zener riêng lẻ có thể được chọn để phù hợp với ứng dụng trong khi diode 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 diode 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 diode 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

Mạch cắt Diode Zener

Cho đến nay chúng ta đã xem xét làm thế nào một diode 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 diode 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 diode zener 7.5V. Nếu dạng sóng đầu ra cố gắng vượt quá giới hạn 7.5V, diode 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, diode zener vẫn là một diode và khi đầu ra dạng sóng AC âm xuống dưới -0,7V, diode zener sẽ chuyển đổi ON ON giống như bất kỳ diode silicon thông thường nào và cắt đầu ra ở -0,7V như được hiển thị phía dưới.

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 diode 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 diode 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 TẮT TẮT 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 diode 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.