หลักการทำงานและลักษณะสำคัญของซีเนอร์ไดโอด

เซมิคอนดักเตอร์ไดโอดมี "อาชีพ" มากมาย สามารถแก้ไขแรงดันไฟฟ้า แก้วงจรไฟฟ้า ปกป้องอุปกรณ์จากแหล่งจ่ายไฟที่ไม่เหมาะสม แต่มี "งาน" ที่ไม่ธรรมดาของไดโอดเมื่อคุณสมบัติของการนำทางเดียวถูกใช้โดยอ้อมมาก อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่โหมดปกติเป็นแบบไบแอสย้อนกลับเรียกว่าซีเนอร์ไดโอด

ซีเนอร์ไดโอดคืออะไร ใช้ที่ไหนและคืออะไร

ซีเนอร์ไดโอดหรือซีเนอร์ไดโอด (ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันที่เป็นคนแรกที่ศึกษาและอธิบายคุณสมบัติของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์นี้) เป็นไดโอดธรรมดาที่มีจุดต่อ p-nคุณสมบัติของมันคือการทำงานในส่วนของลักษณะที่มีอคติเชิงลบนั่นคือเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้ในขั้วย้อนกลับ ไดโอดดังกล่าวใช้เป็นตัวกันโคลงอิสระที่รักษาแรงดันไฟฟ้าของผู้บริโภคให้คงที่โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของกระแสโหลดและความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า นอกจากนี้ โหนดบนไดโอดซีเนอร์ยังใช้เป็นแหล่งแรงดันอ้างอิงสำหรับตัวปรับความเสถียรอื่นๆ ด้วยวงจรที่พัฒนาแล้ว โดยทั่วไปน้อยกว่า ไดโอดย้อนกลับถูกใช้เป็นองค์ประกอบการสร้างพัลส์หรือตัวป้องกันไฟกระชาก

มีซีเนอร์ไดโอดแบบธรรมดาและแบบสองขั้ว ไดโอดซีเนอร์สองแอโนดคือไดโอดสองตัวที่เชื่อมต่อกลับไปด้านหลังในตัวเรือนเดียว สามารถแทนที่ด้วยอุปกรณ์สองชิ้นแยกกัน รวมถึงอุปกรณ์ตามรูปแบบที่เหมาะสม

ลักษณะโวลต์แอมแปร์ของซีเนอร์ไดโอดและหลักการทำงาน

เพื่อให้เข้าใจหลักการทำงานของซีเนอร์ไดโอด จำเป็นต้องศึกษาลักษณะทั่วไปของแรงดันกระแสไฟ (CVC)

หากแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับซีเนอร์ในทิศทางไปข้างหน้า เช่นเดียวกับไดโอดทั่วไป ไดโอดดังกล่าวจะทำงานเหมือนไดโอดทั่วไป ที่แรงดันไฟฟ้าประมาณ 0.6 V (สำหรับอุปกรณ์ซิลิกอน) จะเปิดขึ้นและเข้าสู่ส่วนเชิงเส้นของคุณสมบัติ I–V ในหัวข้อของบทความ พฤติกรรมของซีเนอร์ไดโอดนั้นน่าสนใจยิ่งขึ้นเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าของขั้วย้อนกลับ (สาขาเชิงลบของลักษณะเฉพาะ) อย่างแรก ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และอุปกรณ์จะหยุดส่งกระแส แต่เมื่อถึงค่าแรงดันไฟฟ้าที่แน่นอน กระแสที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจะเกิดขึ้น เรียกว่า พังทลาย มีลักษณะเป็นหิมะถล่มและจะหายไปหลังจากถอดพาวเวอร์ออกหากคุณยังคงเพิ่มแรงดันย้อนกลับต่อไป ทางแยก p-n จะเริ่มร้อนขึ้นและเข้าสู่โหมดสลายความร้อน การสลายด้วยความร้อนไม่สามารถย้อนกลับได้และหมายถึงความล้มเหลวของซีเนอร์ไดโอด ดังนั้นคุณไม่ควรนำไดโอดเข้าสู่โหมดนี้

พื้นที่ที่น่าสนใจในการใช้งานอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ในโหมดการพังทลายของหิมะถล่ม มีรูปร่างใกล้เคียงกับเส้นตรงและมีความสูงชันสูง ซึ่งหมายความว่าด้วยการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ในปัจจุบัน (ΔI) การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดจะค่อนข้างเล็ก (ΔU) และนี่คือการรักษาเสถียรภาพ

ลักษณะการทำงานนี้เมื่อใช้แรงดันย้อนกลับเป็นเรื่องปกติสำหรับไดโอดใดๆ แต่ลักษณะเฉพาะของซีเนอร์ไดโอดคือพารามิเตอร์ในส่วนนี้ของ CVC จะถูกทำให้เป็นมาตรฐาน ให้แรงดันไฟฟ้าและความชันของการรักษาเสถียรภาพ (ด้วยการแพร่กระจายที่แน่นอน) และเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่กำหนดความเหมาะสมของอุปกรณ์ในวงจร คุณสามารถหาได้ในหนังสืออ้างอิง ไดโอดสามัญยังสามารถใช้เป็นซีเนอร์ไดโอด - หากคุณลบ CVC ออกและมีลักษณะที่เหมาะสมในหมู่พวกเขา แต่นี่เป็นกระบวนการที่ยาวนานและยากเย็นแสนเข็ญโดยไม่ได้ผลลัพธ์ที่รับประกัน

ลักษณะสำคัญของซีเนอร์ไดโอด

ในการเลือกซีเนอร์ไดโอดสำหรับวัตถุประสงค์ที่มีอยู่ คุณจำเป็นต้องทราบพารามิเตอร์ที่สำคัญหลายประการ ลักษณะเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดความเหมาะสมของอุปกรณ์ที่เลือกสำหรับการแก้ไขงาน

จัดอันดับแรงดันไฟฟ้าเสถียรภาพ

พารามิเตอร์แรกของซีเนอร์ซึ่งคุณต้องให้ความสนใจเมื่อเลือกคือแรงดันเสถียรภาพซึ่งกำหนดโดยจุดเริ่มต้นของการพังทลายของหิมะถล่ม โดยเริ่มจากการเลือกอุปกรณ์สำหรับใช้ในวงจรสำหรับกรณีต่างๆ ของซีเนอร์ไดโอดทั่วไป แม้จะเป็นแบบเดียวกันก็ตาม แรงดันไฟฟ้ามีการแพร่กระจายในพื้นที่หลายเปอร์เซ็นต์ สำหรับความเที่ยงตรง ความแตกต่างจะต่ำกว่า หากไม่ทราบแรงดันไฟฟ้าที่ระบุ ก็สามารถกำหนดได้โดยการประกอบวงจรอย่างง่าย คุณควรเตรียม:

• ตัวต้านทานบัลลาสต์ 1 ... 3 kOhm;
• แหล่งจ่ายแรงดันที่ปรับได้;
• โวลต์มิเตอร์ (คุณสามารถใช้เครื่องทดสอบ)

จำเป็นต้องเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงานจากศูนย์ ควบคุมการเติบโตของแรงดันไฟฟ้าที่ซีเนอร์ไดโอดโดยใช้โวลต์มิเตอร์ เมื่อถึงจุดหนึ่ง มันก็จะหยุด แม้ว่าแรงดันไฟขาเข้าจะเพิ่มขึ้นอีกก็ตาม นี่คือแรงดันเสถียรภาพที่แท้จริง หากไม่มีแหล่งควบคุม คุณสามารถใช้แหล่งจ่ายไฟที่มีแรงดันเอาต์พุตคงที่สูงกว่า Ustabilization อย่างเห็นได้ชัด รูปแบบและหลักการวัดยังคงเหมือนเดิม แต่มีความเสี่ยงที่จะเกิดความล้มเหลวของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากกระแสไฟฟ้าทำงานส่วนเกิน

ซีเนอร์ไดโอดใช้เพื่อทำงานกับแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 2 ... 3 V ถึง 200 V เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรต่ำกว่าช่วงนี้จะใช้อุปกรณ์อื่น - สเตบิสเตอร์ทำงานในส่วนตรงของ CVC

ช่วงกระแสไฟที่ใช้งาน

กระแสที่ซีเนอร์ไดโอดทำหน้าที่จำกัดจากด้านบนและด้านล่าง จากด้านล่าง มันถูกจำกัดโดยจุดเริ่มต้นของส่วนเชิงเส้นของสาขาย้อนกลับของ CVC ที่กระแสล่าง คุณลักษณะนี้ไม่มีโหมดแรงดันคงที่

ค่าบนถูกจำกัดโดยการกระจายพลังงานสูงสุดที่อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามารถทำได้และขึ้นอยู่กับการออกแบบ ซีเนอร์ไดโอดในกล่องโลหะได้รับการออกแบบให้มีกระแสไฟมากขึ้น แต่อย่าลืมเกี่ยวกับการใช้ฮีตซิงก์หากไม่มีพวกมัน กำลังการกระจายสูงสุดที่อนุญาตจะน้อยลงอย่างมาก

ความต้านทานเชิงอนุพันธ์

พารามิเตอร์อื่นที่กำหนดการทำงานของซีเนอร์ไดโอดคือความต้านทานส่วนต่าง Rst มันถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า ΔU ต่อการเปลี่ยนแปลงปัจจุบัน ΔI ที่ก่อให้เกิด ค่านี้มีมิติของความต้านทานและวัดเป็นโอห์ม ในรูปกราฟิก นี่คือแทนเจนต์ของความชันของส่วนการทำงานของคุณลักษณะ เห็นได้ชัดว่ายิ่งความต้านทานต่ำลงเท่าใด คุณภาพการทรงตัวก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น สำหรับซีเนอร์ไดโอดในอุดมคติ (ไม่มีอยู่จริง) Rst เท่ากับศูนย์ - กระแสที่เพิ่มขึ้นจะไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า และส่วนลักษณะเฉพาะ I–V จะขนานกับแกน y

เครื่องหมายไดโอดซีเนอร์

ซีเนอร์ไดโอดในประเทศและนำเข้าในกล่องโลหะมีการทำเครื่องหมายอย่างเรียบง่ายและชัดเจน พวกเขาถูกทำเครื่องหมายด้วยชื่อของอุปกรณ์และตำแหน่งของแอโนดและแคโทดในรูปแบบของการกำหนดแผนผัง

อุปกรณ์ในกล่องพลาสติกทำเครื่องหมายด้วยวงแหวนและจุดสีต่างๆ ที่ด้านแคโทดและแอโนด ด้วยสีและการรวมกันของอักขระ คุณสามารถกำหนดประเภทของอุปกรณ์ได้ แต่สำหรับสิ่งนี้ คุณต้องดูหนังสืออ้างอิงหรือใช้โปรแกรมเครื่องคิดเลข ทั้งสองสามารถพบได้บนอินเทอร์เน็ต

บางครั้งแรงดันไฟฟ้าคงตัวถูกนำไปใช้กับไดโอดซีเนอร์กำลังต่ำ

วงจรสวิตชิ่งซีเนอร์ไดโอด

วงจรหลักสำหรับการเปิดซีเนอร์ไดโอดอยู่ในอนุกรมกับ ตัวต้านทานซึ่งกำหนดกระแสผ่านอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และรับแรงดันไฟเกิน สององค์ประกอบทำให้ ตัวหารร่วม. เมื่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเปลี่ยนแปลง ค่าตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดจะคงที่ ในขณะที่ค่าตกคร่อมตัวต้านทานจะเปลี่ยนไป

วงจรดังกล่าวสามารถใช้อย่างอิสระและเรียกว่าตัวปรับความคงตัวแบบพาราเมตริก โดยจะรักษาแรงดันไฟไว้ที่ค่าคงที่ของโหลด แม้ว่าจะมีความผันผวนของแรงดันไฟขาเข้าหรือกระแสดึง (ภายในขอบเขตที่แน่นอน) บล็อกที่คล้ายกันยังใช้เป็นวงจรเสริมที่ต้องการแหล่งแรงดันอ้างอิง

การรวมดังกล่าวยังใช้เพื่อป้องกันอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อน (เซ็นเซอร์ ฯลฯ ) จากการเกิดไฟฟ้าแรงสูงผิดปกติในสายไฟหรือสายการวัด (ค่าคงที่หรือแรงกระตุ้นแบบสุ่ม) สิ่งที่อยู่เหนือแรงดันการรักษาเสถียรภาพของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์จะ "ถูกตัดออก" โครงการดังกล่าวเรียกว่า "อุปสรรคซีเนอร์"

ก่อนหน้านี้ คุณสมบัติของซีเนอร์ไดโอดในการ "ตัด" แรงดันไฟสูงสุดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรตัวสร้างพัลส์ อุปกรณ์สองขั้วถูกใช้ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ

แต่ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์และการถือกำเนิดของวงจรรวม หลักการนี้จึงไม่ค่อยได้ใช้

หากไม่มีซีเนอร์ไดโอดอยู่ในมือสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ อาจประกอบด้วยสองค่า แรงดันไฟคงตัวรวมจะเท่ากับผลรวมของแรงดันทั้งสอง

สำคัญ! อย่าเชื่อมต่อซีเนอร์ไดโอดแบบขนานเพื่อเพิ่มกระแสไฟในการทำงาน! การแพร่กระจายของลักษณะแรงดันกระแสไฟจะนำไปสู่เอาต์พุตของซีเนอร์ไดโอดหนึ่งตัวไปยังโซนการสลายตัวทางความร้อน จากนั้นตัวที่สองจะล้มเหลวเนื่องจากกระแสโหลดเกิน

แม้ว่าในเอกสารทางเทคนิคของเวลาของสหภาพโซเวียตจะได้รับอนุญาต ขนาน รวม ซีเนอร์แบบขนาน แต่ด้วยเงื่อนไขว่าอุปกรณ์ต้องเป็นชนิดเดียวกัน และกำลังงานการกระจายจริงทั้งหมดระหว่างการทำงานไม่ควรเกินค่าที่อนุญาตสำหรับซีเนอร์ไดโอดตัวเดียว นั่นคือไม่สามารถเพิ่มกระแสไฟในการทำงานภายใต้เงื่อนไขนี้ได้

เพื่อเพิ่มกระแสโหลดที่อนุญาตจะใช้รูปแบบอื่น โคลงพารามิเตอร์เสริมด้วยทรานซิสเตอร์และผู้ติดตามอีซีแอลจะได้รับโหลดในวงจรอีซีแอลและมีเสถียรภาพ แรงดันฐานทรานซิสเตอร์.

ในกรณีนี้แรงดันไฟขาออกของตัวกันโคลงจะน้อยกว่าการทำให้เสถียรโดยปริมาณแรงดันตกที่ทางแยกอีซีแอล - สำหรับทรานซิสเตอร์ซิลิกอนประมาณ 0.6 V. เพื่อชดเชยการลดลงนี้ คุณสามารถเปิดไดโอดแบบอนุกรมด้วย ซีเนอร์ไดโอดในทิศทางไปข้างหน้า

ด้วยวิธีนี้ (โดยการเปิดไดโอดตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป) คุณสามารถปรับแรงดันเอาต์พุตของตัวกันโคลงให้สูงขึ้นได้ภายในช่วงขนาดเล็ก หากคุณต้องการเพิ่ม Uout อย่างมาก จะเป็นการดีกว่าถ้าเปิดซีเนอร์ไดโอดอีกหนึ่งชุดเป็นอนุกรม

ขอบเขตของซีเนอร์ไดโอดในวงจรอิเล็กทรอนิกส์นั้นกว้างขวาง ด้วยแนวทางการเลือกอย่างมีสติ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์นี้จะช่วยแก้ปัญหามากมายที่ได้รับมอบหมายจากนักพัฒนา

บทความที่คล้ายกัน: