ซีเนอร์ไดโอด

บทนำ

ไดโอดโดยทั่วไปเรียกว่าอุปกรณ์ที่ช่วยให้การไหลของกระแสในทิศทางเดียว (ไปข้างหน้าแบบเอนเอียง) และให้ความต้านทานต่อการไหลของกระแสเมื่อใช้ในแบบย้อนกลับ ซีเนอร์ไดโอด (ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน C. ซีเนอร์ผู้อธิบายหลักการปฏิบัติงานเป็นครั้งแรก) ในทางกลับกันไม่เพียง แต่อนุญาตให้มีการไหลของกระแสเมื่อใช้ในการส่งต่ออคติเท่านั้น แต่ยังอนุญาตการไหลของกระแสเมื่อใช้ในอคติย้อน เพื่อให้ห่างไกลแรงดันไฟฟ้าที่ใช้อยู่เหนือแรงดันไฟฟ้าเสียที่รู้จักกันเป็นแรงดันพังทลายซีเนอร์หรืออีกนัยหนึ่งBreakdown voltageคือแรงดันไฟฟ้าซึ่ง Zener Diode เริ่มดำเนินการในทิศทางย้อนกลับ

หลักการทำงานของซีเนอร์ไดโอด:

ในไดโอดปกติแรงดันพังจะสูงมากและไดโอดได้รับความเสียหายโดยสิ้นเชิงหากใช้แรงดันไฟฟ้าเหนือไดโอดสลาย แต่ในซีเนอร์ไดโอดแรงดันการสลายจะไม่สูงเท่าและไม่ทำให้ไดโอดซีเนอร์เสียหายถาวรหาก แรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้

ในฐานะที่เป็นแรงดันย้อนกลับนำไปใช้กับซีเนอร์ไดโอดเพิ่มขึ้นต่อที่ระบุแรงดันพังทลาย (Vz) ซึ่งเป็นเริ่มต้นกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านไดโอดและปัจจุบันนี้เป็นที่รู้จักกันเป็นกระแสซีเนอร์และกระบวนการนี้เป็นที่รู้จักกันถล่มทลาย กระแสเพิ่มขึ้นสูงสุดและได้รับความเสถียร กระแสไฟฟ้านี้จะคงที่ในช่วงกว้างของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้และช่วยให้ซีเนอร์ไดโอดทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นโดยไม่ได้รับความเสียหาย กระแสนี้ถูกกำหนดโดยตัวต้านทานแบบอนุกรม

พิจารณาภาพด้านล่างนี้ของไดโอดปกติในการดำเนินการ

หากต้องการแสดงการทำงานของซีเนอร์ไดโอดให้พิจารณาสองการทดลอง (A และ B) ด้านล่าง

ในการทดลอง Aไดโอดซีเนอร์ 12V ถูกเชื่อมต่อแบบเอนเอียงแบบย้อนกลับดังที่แสดงในภาพและจะเห็นได้ว่าซีเนอร์ไดโอดปิดกั้นแรงดันไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากมีค่าน้อยกว่า / เท่ากับแรงดันการสลายของไดโอดซีเนอร์และหลอดไฟดังนั้น อยู่เฉยๆ

ในการทดลอง Bเป็น 6V ซีเนอร์ไดโอดใช้จะดำเนินการ (หลอดไฟมา) ในลำเอียงกลับเพราะแรงดันไฟฟ้ามีค่ามากกว่าแรงดันไฟฟ้าเสียและทำให้แสดงให้เห็นว่าภูมิภาคสลายเป็นพื้นที่ของการดำเนินงานของไดโอดซีเนอร์ที่

ปัจจุบันแรงดันลักษณะโค้งมนของไดโอดซีเนอร์แสดงอยู่ด้านล่าง

จากกราฟสามารถอนุมานได้ว่าซีเนอร์ไดโอดที่ทำงานในโหมดไบแอสย้อนกลับจะมีแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างคงที่โดยไม่คำนึงถึงปริมาณกระแสที่จ่าย

การใช้งานของ Zener Diode:

ซีเนอร์ไดโอดถูกใช้ในสามแอพพลิเคชั่นหลักในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

1. การควบคุมแรงดันไฟฟ้า

2. Waveform Clipper

3. ตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า

1. ซีเนอร์ไดโอดเป็นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

นี่เป็นเนื้อหาที่ใช้กันทั่วไปของซีเนอร์ไดโอด

การประยุกต์ใช้ไดโอดซีเนอร์นี้อาศัยความสามารถของซีเนอร์ไดโอดในการรักษาแรงดันไฟฟ้าให้คงที่โดยไม่คำนึงถึงความแปรผันของแหล่งจ่ายหรือกระแสโหลด ฟังก์ชั่นทั่วไปของอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าคือการจัดหาแรงดันไฟฟ้าขาออกคงที่ให้กับโหลดที่เชื่อมต่อแบบขนานโดยไม่คำนึงถึงความแปรผันของพลังงานที่ดึงโดยโหลด (กระแสโหลด) หรือการเปลี่ยนแปลงและความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้า

ซีเนอร์ไดโอดจะให้แรงดันไฟฟ้าคงที่ที่ให้กระแสไฟฟ้าอยู่ภายในช่วงของกระแสย้อนกลับสูงสุดและต่ำสุด

แผนภาพวงจรแสดงซีเนอร์ไดโอดที่ใช้เป็นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแสดงอยู่ด้านล่าง

ตัวต้านทาน R1 เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับซีเนอร์ไดโอดเพื่อ จำกัด ปริมาณกระแสที่ไหลผ่านไดโอดและแรงดันไฟฟ้าอินพุต Vin (ซึ่งต้องมากกว่าแรงดันซีเนอร์) เชื่อมต่อตามที่แสดงในภาพและแรงดันเอาต์พุต Vout ถูกนำข้ามซีเนอร์ไดโอดด้วยVout = Vz (Zener Voltage)เนื่องจากลักษณะไบแอสย้อนกลับของซีเนอร์ไดโอดเป็นสิ่งที่จำเป็นในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าจึงเชื่อมต่อในโหมดไบแอสย้อนกลับโดยที่แคโทดจะเชื่อมต่อกับรางบวกของวงจร

ต้องใช้ความระมัดระวังในการเลือกค่าของตัวต้านทาน R1เนื่องจากตัวต้านทานที่มีค่าน้อยจะส่งผลให้เกิดกระแสไดโอดขนาดใหญ่เมื่อเชื่อมต่อโหลดและจะเพิ่มความต้องการในการกระจายพลังงานของไดโอดซึ่งอาจสูงกว่าระดับพลังงานสูงสุดของ ซีเนอร์และอาจสร้างความเสียหายได้

ค่าของตัวต้านทานที่จะใช้สามารถกำหนดได้โดยใช้สูตรด้านล่าง

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Zที่ไหน; R1 คือค่าของความต้านทานอนุกรม Vin คือแรงดันไฟฟ้าขาเข้า Vz ซึ่งเหมือนกับ Vout คือแรงดันซีเนอร์และ Iz คือกระแสซีเนอร์

ด้วยการใช้สูตรนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าค่าของตัวต้านทานที่เลือกจะไม่ทำให้การไหลของกระแสสูงเกินกว่าที่ซีเนอร์สามารถจัดการได้

ปัญหาเล็กน้อยอย่างหนึ่งที่ประสบกับวงจรควบคุมที่ใช้ซีเนอร์ไดโอดคือบางครั้งซีเนอร์จะสร้างสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าบนรางจ่ายในขณะที่พยายามควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาเข้า แม้ว่านี่อาจไม่ใช่ปัญหาสำหรับแอพพลิเคชั่นส่วนใหญ่ แต่ปัญหานี้อาจแก้ไขได้โดยการเพิ่มตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนที่มีค่าขนาดใหญ่ข้ามไดโอด สิ่งนี้ช่วยให้เอาต์พุตของซีเนอร์เสถียร

2. Zener Diode เป็น Waveform Clipper

การใช้ไดโอดปกติอย่างหนึ่งคือการประยุกต์ใช้วงจรการตัดและการจับยึดซึ่งเป็นวงจรที่ใช้ในการกำหนดรูปร่างหรือปรับเปลี่ยนรูปคลื่นหรือสัญญาณ AC อินพุตทำให้เกิดสัญญาณเอาต์พุตที่มีรูปร่างแตกต่างกันขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของปัตตาเลี่ยนหรือตัวหนีบ

วงจร Clippersโดยทั่วไปคือวงจรที่ใช้เพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณเอาต์พุตของวงจรเกินค่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ล่วงหน้าโดยไม่เปลี่ยนส่วนอื่น ๆ ของสัญญาณอินพุตหรือรูปคลื่น

วงจรเหล่านี้พร้อมกับแคลมป์เกอร์ใช้กันอย่างแพร่หลายในโทรทัศน์ระบบแอนะล็อกและเครื่องส่งวิทยุ FM สำหรับการกำจัดสัญญาณรบกวน (วงจรหนีบ)และ จำกัด จุดสูงสุดของเสียงโดยการตัดยอดสูง

เนื่องจากซีเนอร์ไดโอดทำงานโดยทั่วไปเหมือนไดโอดปกติเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ไม่เท่ากับแรงดันไฟฟ้าแยกจึงใช้ในการตัดวงจร

วงจรการตัดสามารถออกแบบมาเพื่อตัดสัญญาณทั้งในด้านบวกลบหรือทั้งสองภูมิภาค แม้ว่าไดโอดจะตัดส่วนอื่น ๆ ที่ 0.7V ตามธรรมชาติโดยไม่คำนึงว่าได้รับการออกแบบให้เป็นปัตตาเลี่ยนบวกหรือลบ

ตัวอย่างเช่นพิจารณาวงจรด้านล่าง

วงจรปัตตาเลี่ยนออกแบบมาเพื่อตัดสัญญาณเอาต์พุตที่ 6.2v ดังนั้นจึงใช้ไดโอดซีเนอร์ 6.2v ซีเนอร์ไดโอดป้องกันไม่ให้สัญญาณเอาต์พุตเกินแรงดันไฟฟ้าซีเนอร์โดยไม่คำนึงถึงรูปคลื่นอินพุต สำหรับตัวอย่างนี้ใช้แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 20v และแรงดันขาออกของการแกว่งบวกเท่ากับ 6.2v สอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าของซีเนอร์ไดโอด อย่างไรก็ตามในระหว่างการแกว่งลบของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับซีเนอร์ไดโอดจะทำงานเหมือนกับไดโอดปกติและคลิปแรงดันเอาต์พุตที่ 0.7V ซึ่งสอดคล้องกับไดโอดซิลิโคนปกติ

ในการใช้วงจรการตัดสำหรับการแกว่งเชิงลบของวงจร AC เช่นเดียวกับการแกว่งบวกในลักษณะที่แรงดันไฟฟ้าถูกตัดในระดับที่แตกต่างกันของการแกว่งบวกและลบจะใช้วงจรตัดซีเนอร์คู่ แผนภาพวงจรสำหรับวงจรตัดซีเนอร์คู่แสดงไว้ด้านล่าง

ในวงจรการตัดด้านบนแรงดันไฟฟ้า Vz2 แสดงถึงแรงดันไฟฟ้าในการแกว่งเชิงลบของแหล่งจ่ายไฟ AC ที่ต้องการให้สัญญาณเอาต์พุตถูกตัดออกในขณะที่แรงดันไฟฟ้า Vz1 แสดงถึงแรงดันไฟฟ้าในการแกว่งบวกของแหล่งจ่ายไฟ AC ที่แรงดันเอาต์พุต ต้องการที่จะตัด

3. ซีเนอร์ไดโอดเป็นตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า

ตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเป็นหนึ่งในการใช้งานซีเนอร์ไดโอดที่ง่ายที่สุด แต่น่าสนใจ หากคุณเคยมีประสบการณ์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ 3.3v กับ MCU 5V และได้เห็นข้อผิดพลาดโดยตรงในการอ่าน ฯลฯ ซึ่งสามารถนำไปสู่พวกเขาได้คุณจะประทับใจกับความสำคัญของตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า ตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าช่วยแปลงสัญญาณจากแรงดันไฟฟ้าหนึ่งไปยังอีกแรงดันหนึ่งและด้วยความสามารถของซีเนอร์ไดโอดในการรักษาแรงดันไฟฟ้าขาออกให้คงที่ในบริเวณที่แตกตัวทำให้เป็นส่วนประกอบที่เหมาะสำหรับการทำงาน

ในตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ซีเนอร์ไดโอดวงจรจะลดแรงดันไฟฟ้าขาออกโดยค่าเท่ากับแรงดันไฟฟ้าแยกย่อยของไดโอดซีเนอร์เฉพาะที่ใช้ แผนภาพวงจรสำหรับตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าแสดงอยู่ด้านล่าง

ลองพิจารณาการทดลองด้านล่าง

วงจรอธิบายตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ไดโอดซีเนอร์ 3.3v แรงดันไฟฟ้าขาออก (3.72V) ของวงจรจะได้รับจากการลบแรงดันพังทลาย (3.3V) ของซีเนอร์ไดโอดจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (7V)

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3.3 = 3.7v

ตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้มีการใช้งานหลายอย่างในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันเนื่องจากวิศวกรผู้ออกแบบอาจต้องทำงานกับระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันถึงสามระดับในบางครั้งในระหว่างกระบวนการออกแบบ

ประเภทของซีเนอร์ไดโอด:

ไดโอดซีเนอร์แบ่งออกเป็นประเภทตามพารามิเตอร์ต่างๆซึ่งรวมถึง

แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด
การสูญเสียพลังงาน
ไปข้างหน้าไดรฟ์ปัจจุบัน
แรงดันไปข้างหน้า
ประเภทบรรจุภัณฑ์
กระแสย้อนกลับสูงสุด

แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด

แรงดันไฟฟ้าการทำงานที่ระบุของไดโอดซีเนอร์เรียกอีกอย่างว่าแรงดันไฟฟ้าแยกย่อยของซีเนอร์ไดโอดขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันที่จะใช้ไดโอดซึ่งมักเป็นเกณฑ์ที่สำคัญที่สุดสำหรับการเลือกซีเนอร์ไดโอด

การกระจายอำนาจ

นี่แสดงถึงปริมาณพลังงานสูงสุดที่กระแสซีเนอร์สามารถกระจายได้ การใช้พลังงานที่สูงเกินกว่านี้จะทำให้อุณหภูมิของซีเนอร์ไดโอดเพิ่มขึ้นมากเกินไปซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายและนำไปสู่ความล้มเหลวของสิ่งที่เชื่อมต่ออยู่ในวงจร ดังนั้นควรพิจารณาปัจจัยนี้เมื่อเลือกไดโอดโดยคำนึงถึงการใช้งาน

กระแสสูงสุดของ Zener

นี่คือกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถส่งผ่านซีเนอร์ไดโอดที่แรงดันซีเนอร์โดยไม่ทำให้อุปกรณ์เสียหาย

ขั้นต่ำ Zener ปัจจุบัน

นี่หมายถึงกระแสไฟฟ้าขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับซีเนอร์ไดโอดเพื่อเริ่มทำงานในพื้นที่แยกย่อย

พารามิเตอร์อื่น ๆ ที่ใช้เป็นข้อกำหนดสำหรับไดโอดทั้งหมดจะต้องได้รับการพิจารณาอย่างครบถ้วนก่อนที่จะตัดสินใจเกี่ยวกับชนิดของซีเนอร์ไดโอดที่จำเป็นสำหรับการออกแบบที่แปลกประหลาดนั้น

สรุป:

นี่คือ 5 จุดที่คุณไม่ควรลืมเกี่ยวกับซีเนอร์ไดโอด

ซีเนอร์ไดโอดก็เหมือนกับไดโอดธรรมดาที่ถูกเจือให้มีแรงดันไฟฟ้าที่คมชัด
ซีเนอร์ไดโอดจะรักษาแรงดันไฟฟ้าขาออกให้คงที่โดยไม่คำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าหากกระแสซีเนอร์สูงสุดไม่เกิน
เมื่อเชื่อมต่อแบบอคติไปข้างหน้าซีเนอร์ไดโอดจะทำงานเหมือนกับซิลิโคนไดโอดปกติ มันดำเนินการด้วยแรงดันไฟฟ้า 0.7v เดียวกันที่มาพร้อมกับการใช้ไดโอดปกติ
สถานะการทำงานเริ่มต้นของซีเนอร์ไดโอดอยู่ในขอบเขตการแยกย่อย (กลับลำเอียง) หมายความว่ามันเริ่มทำงานได้จริงเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้สูงกว่าแรงดันซีเนอร์ในแบบเอนเอียงแบบย้อนกลับ
ไดโอดซีเนอร์ส่วนใหญ่จะใช้ในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมแรงดันไฟฟ้าวงจรการตัดและตัวเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า