Cấu tạo diode zener : Diode lớp tiếp giáp PN thường được chế tạo bằng cách điều chỉnh chất bán P-type và N-type trên một tinh thể bán dẫn. Các đặc điểm của diode tiếp giáp PN chứng tỏ rằng nó được thiết kế phần lớn để hoạt động theo hướng thuận. Phân cực thuận gây ra dòng điện thuận lớn hơn với giá trị nhỏ của điện áp thuận. Cấu tạo diode zener bạn có thể tìm hiểu thêm trên mạng nhé.
Còn bây giờ ta sẽ tiếp tục Cấu tạo diode zener : Tuy nhiên, diode phân cực ngược không gây ra sự dẫn dòng điện cho đến khi đạt được giá trị cao của điện áp ngược. Nếu điện áp ngược đủ lớn, sự đánh thủng xảy ra và dòng điện ngược bắt đầu chạy. Điốt tiếp giáp thông thường thường bị hỏng khi hiện tượng đánh thủng này xảy ra. Dòng điện trong điốt zener được điều khiển bởi các hạt tải điện thiểu số trong điều kiện phân cực ngược, vì vậy chúng cũng có thể được gọi là điốt bị đánh thủng.
Trong các điều kiện chế tạo cụ thể, một loại diode đặc biệt được hình thành sẽ không bị phá hủy khi tăng điện áp đánh thủng, với điều kiện dòng điện không vượt quá giới hạn để tránh trường hợp quá nhiệt. Loại thiết bị này được gọi là điốt zener .
Điốt Zener được đặt theo tên của Clarence Melvin Zener bởi Phòng thí nghiệm Bell, người đã phát hiện ra loại đặc tính điện này. Các điốt này là một loại điốt độc đáo có nồng độ pha tạp nặng tại thời điểm chế tạo. Do sự pha tạp nặng, một số lượng lớn các điện tử tự do và lỗ trống điện tử được tạo ra và chịu trách nhiệm dẫn dòng điện do các hạt tải điện thiểu số phân cực ngược.
Các điốt này được thiết kế để có đặc tính đánh thủng rất dốc. Điốt Zener là điốt silicon được pha tạp nhiều, không giống như điốt bình thường biểu hiện sự suy giảm xung điện áp ở điện áp tương đối thấp.
Điốt Zener cho phép dòng điện chạy theo hướng thuận theo cách tương tự như một điốt lý tưởng, và nó cũng cho phép dòng điện chạy theo hướng ngược lại khi điện áp trên một giá trị nhất định được gọi là điện áp đánh thủng. Điện áp này cũng có thể được gọi là điện áp gối zener hoặc điện áp zener.
Nếu tăng điện áp trên diode, nhiệt độ tăng và các ion tinh thể dao động với biên độ lớn hơn và tất cả những điều này dẫn đến sự phá vỡ vùng không hạt tải (Vùng có mật độ hạt tải banừg zêrô do ở 2 phía gần mặt tiếp PN tất cả các điện tử và lỗ trống đã kết hợp với nhau. Do sự kết hợp hạt tải, vùng trống phía N có điện tích dương, phía P là ion dương có điện tích âm là ion âm.). Khi xảy ra đánh thủng, dòng điện ngược sẽ tăng mạnh. Một lượng lớn dòng điện ngược khác nhau có thể đi qua diode mà không làm hỏng nó.
Vì vậy điốt zener được thiết kế để hoạt động trong vùng đánh thủng ngược với điện áp đánh thủng ngược (Vz) trong khoảng 2,4 V đến 200 V. Giá trị của Vz phụ thuộc vào nồng độ pha tạp. Khi đạt đến điện áp Zener, diode zener dẫn dòng điện từ cực âm đến cực dương của nó.
Điện áp đánh thủng hoặc điện áp zener trên diode zener khá không đổi. Lượng dòng điện ngược tối đa bị giới hạn bởi định mức công suất của diode.
Có nhiều loại điốt Zener khác nhau. Chúng được phân loại theo công suất tiêu tán, điện áp làm việc danh định, dòng điện thuận, điện áp thuận, kiểu đóng gói và dòng điện ngược tối đa. Các giá trị chung cho điện áp đầu gối zener làm việc là 5,1 V, 6,2 V, 15 V, v.v. Dòng chuyển tiếp có thể có phạm vi từ 200uA đến 200A với dòng chuyển tiếp phổ biến nhất là 10mA hoặc 200mA.
Điốt Zener được sử dụng trong một số ứng dụng. Chúng được sử dụng rộng rãi như điốt tham chiếu điện áp trong các mạch điện tử cho phép chuẩn bị các mạch điều chỉnh điện áp tham chiếu đơn giản và ổn định, cũng như chúng rẻ và dễ sản xuất.
Chúng có thể được sử dụng như bộ triệt xung để bảo vệ thiết bị, trong các mạch cắt để cắt các dạng sóng không được yêu cầu, trong các hoạt động chuyển mạch khác nhau, làm phần tử tham chiếu và chúng có thể được sử dụng để loại bỏ các gai có thể làm hỏng mạch hoặc khiến nó quá tải.
Điện áp ngược không thay đổi của một diode zener làm cho nó trở thành một thành phần rất hữu ích trong việc kiểm soát điện áp đầu ra chống lại sự thay đổi của điện trở tải hoặc sự thay đổi của điện áp đầu vào được cung cấp từ nguồn điện áp không ổn định chẳng hạn như pin dự phòng của hệ thống năng lượng tái tạo sẽ dao động tùy theo trạng thái thu phí của ngân hàng. Dòng điện qua diode Zener sẽ thay đổi để giữ điện áp trong giới hạn ngưỡng có thể điều chỉnh của tác động zener.
Các nhà sản xuất đánh giá điốt zener theo giá trị Vz của chúng và công suất tiêu tán tối đa ở nhiệt độ phòng, tức là 25ºC. Đây là dấu hiệu của dòng điện ngược tối đa mà một diode zener có thể dẫn dòng điện một cách an toàn. Mỗi giá trị điện áp đầu gối zener thường được chỉ định ở dòng zener thấp nhất. Do đó, các giá trị tiêu tán công suất được sử dụng để chỉ ra phạm vi hoạt động an toàn. Các giá trị tiêu biểu của xếp hạng tiêu tán công suất là từ 150mW đến 50W.
Diode Zener có thể được xác định bởi thiết bị đầu cuối bằng cách quan sát một vòng màu đen ở đầu cực âm cực. Nếu diode là thành phần SMD, thì dải màu sẽ có sẵn cho cực âm cực. Bằng cách nhận ra mã diode zener được đánh dấu trên thiết bị, chúng tôi có thể xác định giá trị của nó
Đường đặc tuyến I-V của Diode Zener –
Trong điều kiện phân cực thuận, diode zener hoạt động giống như một diode lý tưởng trong giới hạn dòng điện và công suất được chỉ định, nhưng nó khác ở điều kiện phân cực ngược khi diode zener có đặc tuyến rất dốc ở điện áp đánh thủng trong điều kiện phân cực ngược.
Zener hoạt động chủ yếu ở chế độ phân cực ngược bằng cách kết nối cực dương với cực âm của nguồn điện. Điốt Zener được phân loại và đánh giá theo điện áp mà chúng sẽ bật hoặc bắt đầu dẫn dòng phân cực ngược.
Công suất tối đa dành cho điốt zener được quy định là P z = V z I z max và nó là một hàm của sơ đồ và cấu trúc của diode. Điểm gối của đường cong thường được tính gần đúng bằng 10% I z max , tức là I z min = 0,1I z max .
Nói chung các điốt zener này được sử dụng để điều chỉnh điện áp. Trong điều kiện phân cực ngược sau khi hỏng điốt zener cung cấp điện áp đầu ra không đổi ngay cả khi chúng ta tăng điện áp đầu vào. Đặc biệt có hai cơ chế riêng biệt có thể gây ra sự cố trong một diode zener:
Sự suy sụp do dòng điện thác
Nó xảy ra ở khoảng điện áp 5,5 volt. Cơ chế này còn được gọi là sự ion hóa tác động hoặc sự nhân lên của tuyết lở. Đối với sự dẫn truyền ngược, cần phải hình dung hiện tượng đánh thủng kiểu thác. Quá trình này bắt đầu khi một phân cực âm lớn được áp dụng cho điểm nối PN, năng lượng đủ được truyền cho các hạt mang điện tích thiểu số được tạo ra bằng nhiệt trong chất bán dẫn.
(Tuyết lở xảy ra trong điốt khi điện áp trên một điốt vượt quá một giá trị xác định. Diode tuyết lở là một diode được thiết kế để phá vỡ và dẫn điện ở điện áp phân cực ngược xác định. Điều này có phần tương tự, nhưng không giống với sự cố Zener.)
Kết quả là các hạt tải điện tự do có được động năng cần thiết để phá vỡ các liên kết cộng hóa trị và tạo ra điện trường thông qua va chạm với các hạt tinh thể. Các hạt tải điện được tạo ra khi va chạm góp phần tạo ra dòng điện ngược, vượt xa dòng điện bão hòa ngược bình thường và cũng có thể có đủ năng lượng để tham gia vào các vụ va chạm, tạo ra một trường điện bổ sung và hiệu ứng tuyết lở do ion hóa va chạm, một khi độ phân cực ngược đủ cao là miễn là quá trình dẫn truyền này diễn ra rất giống một trận tuyết lở: một electron đơn lẻ có thể ion hóa một số electron khác.
Đi ốt Zener đánh thủng
Nó chủ yếu dưới khoảng 5,5 volt. Cơ chế này còn được gọi là cơ chế phát xạ trường cao. Hiện tượng đánh thủng zener có liên quan đến khái niệm đánh thủng tuyết lở. Sự phá vỡ Zener đạt được bởi các vùng bị pha tạp nhiều trong vùng lân cận tiếp xúc ohmic.
Đây là phương pháp thứ hai làm xáo trộn các liên kết cộng hóa trị của các nguyên tử tinh thể và tăng dòng điốt zener phân cực ngược, được duy trì ở điện áp riêng thấp hơn nhiều so với diode bình thường. Điện áp phân cực ngược được gọi là điện áp zener, trong đó cơ chế này xảy ra được xác định bởi nồng độ pha tạp diode và nó xảy ra khi chiều rộng trường lớp suy giảm đủ để phá vỡ các liên kết cộng hóa trị và gây ra số lượng hạt tải điện tự do do sinh điện trường. sưng lên.
Hiệu ứng Zener thực sự trong chất bán dẫn có thể được giải thích bằng hai dải năng lượng trên đang được quan tâm. Hai dải năng lượng trên là vùng dẫn và vùng hóa trị.
Một trong những hiệu ứng này hoặc sự kết hợp của hai cơ chế làm tăng đáng kể dòng điện trong vùng phân cực ngược trong khi có ảnh hưởng không đáng kể đến sụt áp trên đường giao nhau. Khi điện áp phân cực ngược được áp dụng lớn hơn điện áp định trước, sự đánh thủng zener xảy ra.
Điện áp đánh thủng zener được tạo ra sắc nét và khác biệt bằng cách kiểm soát nồng độ pha tạp và khi tránh được các khuyết tật bề mặt. Điện áp trên diode zener trong vùng đánh thủng gần như không đổi, hóa ra lại là một khái niệm thiết yếu trong việc điều chỉnh điện áp.
Điốt Zener làm bộ điều chỉnh điện áp
Đặc tính IV của diode zener làm cho nó thích hợp cho các ứng dụng như bộ điều chỉnh điện áp. Bộ ổn áp là sự kết hợp của các phần tử được thiết kế để đảm bảo điện áp đầu ra của nguồn cung cấp ổn định không đổi. Bảo vệ điện áp quá mức được thực hiện bằng cách sử dụng điốt zener vì sẽ có dòng điện ngược do các hạt tải điện thiểu số bắt đầu chạy qua điốt sau khi điện áp phân cực ngược vượt quá một giá trị nhất định.
Giữ song song diode zener với điện trở tải thay đổi R L , đảm bảo điện áp đầu ra không đổi mặc dù dòng tải và điện áp nguồn khác nhau. Trong các mạch thực tế, dạng đơn giản nhất của nguồn dòng điện là một điện trở. Chìa khóa trong việc sử dụng diode zener làm bộ điều chỉnh điện áp là miễn là diode zener được phân cực ngược, thì dòng điện lớn hơn vài micro ampe phải đi kèm với điện áp lớn hơn điện áp Zener.
Kiểu sắp xếp mạch điện này mang lại sự an toàn cho thiết bị được kết nối với các đầu cuối. Sự bố trí mạch điều chỉnh này được gọi là bộ điều chỉnh shunt trong đó phần tử điều chỉnh được đặt song song với tải. Điện áp đầu vào cho hệ thống là một vài volt và miễn là nó lớn hơn điện áp đầu ra mong muốn, một điện áp ổn định sẽ được tạo ra trên diode zener.
Thông thường dòng điện ngược không được vượt quá giá trị bình thường, nhưng nếu do bất kỳ lỗi nào trong kết cấu mạch mà dòng điện vượt quá giới hạn tối đa cho phép, hệ thống sẽ bị hỏng vĩnh viễn. Tuy nhiên, để tránh hiệu suất không cân bằng, điốt zener được sử dụng để tham chiếu điện áp trong nhiều dụng cụ đo lường.
Khi điện áp đầu vào tăng lên, dòng điện qua điốt zener tăng lên, nhưng điện áp giảm xuống không đổi là tính năng cần thiết cho điốt zener. Do đó, dòng điện ngược trong mạch đã tăng lên, sụt áp trên điện trở tăng một lượng bằng sự chênh lệch giữa điện áp đầu vào đặt vào và điện áp đầu gối zener của diode zener.
Điện áp đầu ra của hệ thống điều chỉnh được cố định như điện áp đầu gối zener của diode zener và có thể được sử dụng trong các thiết bị điện yêu cầu điện áp cố định có giá trị chắc chắn. Diode zener sẽ tiếp tục điều chỉnh điện áp cho đến khi dòng điện diode zener giảm xuống dưới giá trị I z min tối thiểu trong vùng đánh thủng ngược.
Bộ điều chỉnh Diode Zener – Cấu tạo diode zener
Tại thời điểm bắt đầu, chọn diode zener dựa trên điện áp yêu cầu. Việc xây dựng một bộ điều chỉnh điện áp rất dễ dàng với sự trợ giúp của một diode Zener lý tưởng, chỉ đơn thuần là kết nối diode giữa nguồn điện áp và đất không được điều chỉnh.
Điện trở nguồn R s mắc nối tiếp với diode zener để hạn chế dòng điện chạy qua diode với nguồn áp được mắc trên tổ hợp. Đầu cực âm cực của diode zener được nối với cực dương của nguồn điện áp để diode zener được phân cực trong điều kiện ngược lại và sẽ hoạt động trong vùng đánh thủng.
Khi tải không được kết nối qua diode zener, dòng điện tải sẽ không được dẫn và tất cả dòng điện do mạch sẽ đi qua diode zener làm tiêu hao lượng điện tối đa gây ra quá nhiệt cho diode và hư hỏng vĩnh viễn.
Việc lựa chọn các giá trị thích hợp của điện trở nối tiếp R s cũng rất quan trọng vì nó cũng gây ra dòng điốt lớn hơn, do đó công suất tiêu thụ cực đại của điốt không được vượt quá khi không tải hoặc ở điều kiện trở kháng cao.
Bất cứ khi nào một tải được kết nối song song với điốt zener, điện áp trên tải giống như điện áp điốt zener. Tuy nhiên điện áp nguồn phải lớn hơn điện áp zener và giới hạn trên của dòng zener phụ thuộc vào định mức công suất của diode zener; nếu không điện áp zener sẽ đơn giản theo điện áp đầu vào được áp dụng.
Cũng cần thiết rằng cả diode zener và điện trở phải có định mức công suất cao để xử lý tất cả dòng điện qua mạch. Nếu một tụ điện tách có mặt trên diode zener, thì nó sẽ hữu ích hơn trong việc cung cấp thêm sự làm mịn cho nguồn cung cấp DC vốn cần thiết để ổn định điện áp.
Dãy Điốt Zener
Khi hai hoặc nhiều hơn hai điốt zener theo cách sao cho cực âm của điốt zener thứ nhất được nối với cực dương của điốt zener thứ hai, tương tự như vậy catốt của điốt zener thứ hai được nối với cực dương của điốt zener thứ ba, như vậy một kiểu kết nối được gọi là kết nối nối tiếp của điốt zener. Trong cách kết nối này, tổng điện áp trên toàn mạch bằng tổng điện áp của tất cả các điốt zener trong kết nối.
Từ hình trên, điốt zener 3V được mắc nối tiếp. Tổng điện áp zener của kết nối loạt này là 9V. Xếp hạng điện áp zener của các điốt zener riêng lẻ nên được chọn tốt nhất cho hầu hết các ứng dụng.
Diode zener đặc trưng cho các mạch điện tử đa năng có định mức công suất là 500mW, dòng diode zener BZX55 hoặc dòng zener 1,3W , BZX85 lớn hơn là các điốt zener được sử dụng phổ biến nhất. Các điốt zener dòng 500mW, BZX55 thường có sẵn trong phạm vi thay đổi từ 2,4 Vôn đến gần 100 Vôn.
Điện áp diode Zener – Cấu tạo diode zener
BZX55-Dòng:
Công suất tiêu tán: 0,5 W
BZX85-Dòng:
Công suất tiêu tán: 1,3 W
Zener Diode Clippers – Cấu tạo diode zener
Cấu tạo diode zener khá đơn giản như Các mạch cắt dựa trên diode zener giới hạn một phần nhất định của dạng sóng đầu vào được áp dụng ở đầu vào, các mạch cắt điốt zener này thường được sử dụng để bảo vệ mạch và trong việc định hình các dạng sóng đầu vào. Hãy xem xét một mạch clipper như trong hình. Nếu chúng ta muốn cắt dạng sóng trên 3.2 V, chúng ta sẽ sử dụng diode zener 3.2 V. Có gì không hiểu bạn có thể đọc lại Cấu tạo diode zener ở trên.
Dạng sóng đầu ra có thể được cắt ở phía tích cực lớn hơn 3,2 V và ở đó duy trì đầu ra không đổi. Dạng sóng ở mặt âm được cắt ở 0,7 V và ở đó sau khi diode zener BẬT và hoạt động như một diode silicon.
Diode và bộ nguồn như hình sẽ ngăn điện áp đầu ra vượt quá 0,7V. Các mạch cắt điốt Zener được sử dụng để loại bỏ nhiễu về biên độ và xung đột trong điện áp, điều chỉnh điện áp và tạo ra các dạng sóng mới từ tín hiệu hiện có, chẳng hạn như bình phương các đỉnh của dạng sóng hình sin để thu được dạng sóng hình chữ nhật.
Kết nối các điốt zener theo hướng ngược lại, ngược chiều nhau tạo ra một bộ điều chỉnh AC có thể được sử dụng như một máy phát sóng vuông. Đây là kết nối diode zener được sử dụng phổ biến nhất để cắt các dạng sóng và bảo vệ mạch điện tử khỏi quá áp.
Cả hai điốt zener thường được kết nối qua các cực đầu vào của nguồn điện, tại một số thời điểm trong hoạt động bình thường, một trong các điốt zener trong mạch TẮT và điốt zener còn lại không có hoặc rất ít ảnh hưởng.
Mặt khác, nếu điện áp đầu vào đặt vào mạch vượt quá giới hạn tối đa, thì diode zener được BẬT và nó sẽ cắt tín hiệu đầu vào được áp dụng để bảo vệ mạch. Kết thúc phần Cấu tạo diode zener nha cả nhà.