σελ 53-60

3.6 Δίοδος Ζενερ (Zener) και εφαρμογές

3.6.1 Δίοδος Zener
    Κατά την ανάστροφη πόλωση μιας διόδου ΡΝ με εξωτερική συνεχή τάση, το ρεύμα που διέρχεται μέσα από την δίοδο IR είναι πολύ μικρό. Όσο αυξάνεται η τιμή της εξωτερικής τάσης, τόσο αυξάνεται (ελαφρά) και το ανάστροφο ρεύμα, μέχρι μια ορισμένη τιμή της τάσης πέραν από την οποία το ρεύμα αυξάνεται απότομα. Η ανάστροφη αυτή τάση ονομάζεται τάση Zener προς τιμή του επιστήμονα που ανακάλυψε το ομώνυμο φαινόμενο.

Πράγματι, με την αύξηση της ανάστροφης τάσης αυξάνει το ηλεκτρικό πεδίο και τα ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα στη δίοδο αποκτούν αρκετά μεγάλη κινητική ενέργεια. Αποτέλεσμα αυτού είναι ότι σε κάποια τιμή της τάσης τα ηλεκτρόνια σπάνε τους δεσμούς των ατόμων του ημιαγωγού και απελευθερώνεται μεγάλος αριθμός νέων ηλεκτρονίων που συμβάλλει στη δημιουργία ισχυρού ρεύματος. Η περιοχή τάσεων και ρευμάτων οπου συμβαίνει το φαινόμενο Zener, λέγεται περιοχή διάσπασης (breakdown) της διόδου.
    Αν σε μία κοινή δίοδο, όπως αυτές που εξετάσθηκαν μέχρι τώρα, εφαρμοσθεί ανάστροφη τάση μεγαλύτερη απο την τάση διάσπασης, η δίοδος καταστρέφεται. Για τον λόγο αυτό, κατασκευάζονται ειδικές δίοδοι που λειτουργούν στην περιοχή διάσπασης και λέγονται δίοδοι Zener και χαρακτηρίζονται από την τάση Zener (VZ).
    Στο σχήμα 3.6.1(α) φαίνεται η χαρακτηριστική ρεύματος τάσης (I-V) μιας διόδου Zener και στο σχήμα 3.6.1(β) φαίνεται το σύμβολο της διόδου αυτής.

Σχήμα 3.6.1. Δίοδος Zener (α) Χαρακτηριστική. (β) Σύμβολο
   

Από την καμπύλη φαίνεται ότι μετά από την τάση κατωφλίου (V_ZK) η ελάχιστη τάση Zener (V_Zmin), η χαρακτηριστική καμπύλη είναι σχεδόν ένα ευθύγραμμο τμήμα με κλίση 1/R_Z, όπου R_Z είναι η αντίσταση της διόδου και ισχύει:

Η αντίσταση R_Z είναι πολύ μικρή (0 - 500 Ω). Η τάση Zener, V_Z ορίζεται ως η τάση που αντιστοιχεί στο ρεύμα Ι_Ζ όπου :

δηλαδή το Ι_Z είναι το ημιάθροισμα των ακραίων τιμών του ρεύματος
της διόδου.
    Αντίθετα, η ελάχιστη και μέγιστη τάση Zener δεν διαφέρουν πολύ μεταξύ τους και πρακτικά V_Zmax ~ V_Zmin ~ V_Z

Το ισοδύναμο κύκλωμα της διόδου Zener αποτελείται από μία πηγή τάσης V_Z σε σειρά με αντίσταση R_Z όπως φαίνεται στο σχήμα 3.6.2

 
     Τα χαρακτηριστικά των διόδων Zener, Ισοδύναμο κύκλωμα διόδου Zener τα οποία προδιαγράφονται από τους κατασκευαστές, είναι τα ακόλουθα:
 α. Η τάση Zener (V_Z) η τιμή της οποίας κυμαίνεται από 2,4 έως και 200V.
β. Το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα I_Zmax < η μεγιστη επιτρεπόμενη ισχύς P_max.

γ. Η δυναμική αντίσταση της διόδου R_Z και
δ. O συντελεστής θερμοκρασίας a, ο οποίος δηλώνει το ρυθμό μεταβολής της τάσης V_Z με τη θερμοκρασία. O θερμοκρασιακός συντελεστής είναι είτε αρνητικός, είτε θετικός και εκφράζεται σε ποσοστό ανά βαθμούς Κελσίου (±% / °C).
Οι τιμές της τάσης Zener των διόδων Zener του εμπορίου κυμαίνονται από 2,4 έως 200V και ακολουθούν κατά προσέγγιση τους πίνακες Ε12 και Ε24 των αντιστάσεων.

Παράδειγμα 3.6.1
     Για τη δίοδο Zener 1Ν5233, που έχει a = 3,8 Χ 10^-4/°C και V_Z =6V, να ευρεθεί η αύξηση της τάσης V_Z, όταν η θερμοκρασία αυξηθεί κατά θ = 50°C.
  

Παράδειγμα 3.6.2
Στο κάτωθι κύκλωμα να υπολογισθεί το ρεύμα IZ, όταν η δίοδος Zener έχει τάση V_Z = 6,8 V, η αντίσταση είναι R = 950Ω και η τάση της πηγής εισόδου είναι V_i=10V και για τις περιπτώσεις:
     α) R_Z = 0    β) R_Z = 50Ω

3.6.2 Χρήση της διόδου Zener για σταθεροποίηση τάσης.
    Οι εφαρμογές της διόδου Zener είναι πολλές. Η σημαντικότερη όμως εφαρμογή είναι η σταθεροποίηση τάσης. Πολλές φορές είναι ανάγκη να υπάρχει μία σταθερή τάση, ανεξάρτητη από τις όποιες μεταβολές των τιμών των στοιχείων του ηλεκτρονικού κυκλώματος. Σταθερή τάση μπορεί να χρειασθεί π.χ. είτε ως τάση αναφοράς σε άλλα κυκλώματα, είτε για να προστατευθεί ένα ευαίσθητο όργανο μέτρησης, όπως το μιλιαμπερόμετρο, από υπερεντάσεις οι οποίες μπορεί να είναι καταστροφικές.Ένα κλασσικό απλό κύκλωμα σταθεροποίησης φαίνεται στο σχήμα 3.6.3.

    Στο παραπάνω κύκλωμα, η τάση στα άκρα της αντίστασης φόρτου RL πρέπει να μένει σταθερή ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης V' ή της αντίστασης R. Η αντίσταση φόρτου μπορεί να είναι η αντίσταση εισόδου είτε μιας τροφοδοτικής διάταξης είτε ενός οργάνου μέτρησης. θεωρούμε Rz=0.

Εφαρμόζοντας τους νόμους των τάσεων και ρευμάτων, καθώς και το νόμο του Ωμ (Ohm) στο κύκλωμα του σχήματος ( 3.6.3.) θα ισχύει :

    Αντικαθιστώντας τις τιμές των I και IL θα είναι:

                                                                                                                                                 
    Η εξίσωση (3.6.4) δίνει τη μεταβολή της τάσης εισόδου συναρτήσει του ρεύματος και τάσης της διόδου Zener και παριστάνει γραφικά μία ευθεία γραμμή πάνω στο διάγραμμα της χαρακτηριστικής καμπύλης της διόδου. Η ευθεία αυτή καλείται ευθεία φόρτου, κατ' αναλογία με ότι ισχύουν για την δίοδο ΡΝ.
    Στη σχέση (3.6.4) το μόνο σταθερό μέγεθος είναι η τάση της διόδου Zener VZ. Όλα τα άλλα μεγέθη μπορούν να μεταβάλλονται. Έτσι υπάρχουν οι εξής περιπτώσεις:
    α. Η αντίσταση φόρτου RL ή το ρεύμα φόρτου IL παραμένει σταθερό και
        μεταβάλλεται η τάση εισόδου V| καθώς και το ρεύμα της διόδου IZ.

β. Η τάση εισόδου V| παραμένει σταθερή και μεταβάλλονται τα ρεύματα φόρτου IL και διόδου Iz. Στην περίπτωση (α) που η αντίσταση φόρτου RL παραμένει σταθερή, η σχέση (3.6.4) γράφεται:
                                                                                                                                               

    Από την εξίσωση (3.6.5) μπορεί να υπολογισθεί η αντίσταση R. Η μέγιστη τιμή της αντίστασης R είναι όταν ο αριθμητής της σχέσης (3.6.5) μεγιστοποιηθεί και ο παρονομαστής ελαχιστοποιηθεί. Συνεπώς θα έχουμε:

    Με παρόμοιο τρόπο υπολογίζεται η τιμή της αντίστασης Rmin όταν ο αριθμητής της σχέσης (3.6.5) ελαχιστοποιηθεί και ο παρονομαστής μεγιστοποιηθεί.

    Παράδειγμα 3.6.3
    Η τάση της πηγής εισόδου V' του σχήματος 3.6.3 μεταβάλλεται από Vi min =15 V μέχρι V'max = 25 V. Εάν RL =10ΚΩ και VZ =10V, Rz =0, 'Zmin =1mA, να ευρεθεί η μέγιστη τιμή της εν σειρά αντίστασης R.
 

Παράδειγμα 3.6.4
    Στο κύκλωμα του προηγούμενου παραδείγματος, το ρεύμα φόρτου πρέπει να παραμένει σταθερό IL = 75 mA. Δίδονται οι τιμές: R = 200 Ω,VZ =7.5 V, IZmin =2 mA, IZmax =30 mA. Να ευρεθούν η μέγιστη και ελάχιστη τιμή της τάσης εισοδου V' ώστε το ρεύμα φορτου να παραμείνει σταθερό.
   

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

• Η δίοδος Zener λειτουργεί στην περιοχή διάσπασης, πολώνεται ανάστροφα και χαρακτηρίζεται από την απότομη αύξηση του ανάστροφου ρεύματος, όταν η τάση στα άκρα της φθάσει μια ορισμένη τιμή που λέγεται τάση Zener.
• Η δίοδος Zener μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σταθεροποίηση τάσης, επειδή παρέχει σταθερή τάση στα άκρα της, ανεξάρτητα από τη μεταβολή στην τάση εισόδου ή τη μεταβολή του ρεύματος φόρτου.

Προσθήκη νέου σχολίου