الصمام الثنائي زينر Zener diode

ما هو زينر دايود – Zener Diode؟

الصمام الثنائي (Zener) عبارة عن جهاز من أشباه الموصلات من السيليكون يسمح للتيار بالتدفق إما في الاتجاه الأمامي أو العكسي. يتكون الصمام الثنائي من تقاطع (p-n) خاص منشط بشدة (heavily doped)، مصمم للتوصيل في الاتجاه العكسي عند الوصول إلى جهد معين محدد.

يحتوي الصمام الثنائي (Zener) على جهد انهيار عكسي (reverse-breakdown voltage) محدد جيدًا، حيث يبدأ في توصيل التيار، ويستمر في العمل باستمرار في وضع التحيز العكسي دون أن يتضرر. بالإضافة إلى ذلك، يظل انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي ثابتًا على نطاق واسع من الفولتية، وهي ميزة تجعل ثنائيات زينر مناسبة للاستخدام في تنظيم الجهد.

“الصمام الثنائي (Zener) عبارة عن جهاز من نوع أشباه الموصلات منشط بشدة مصمم للعمل في الاتجاه العكسي”.

عمل الزينر دايود:

الصمام الثنائي (Zener)، المعروف أيضًا باسم الصمام الثنائي الانهيار ( breakdown diode)، هو جهاز أشباه موصلات منشط بشدة مصمم للعمل في الاتجاه العكسي. عندما يتم عكس الجهد عبر أطراف الصمام الثنائي (Zener) ويصل الجهد إلى جهد (Zener Voltage) “جهد الركبة”، ينهار التقاطع ويتدفق التيار في الاتجاه العكسي. يُعرف هذا التأثير باسم “تأثير زينر”.

يعمل الصمام الثنائي (Zener) تمامًا مثل الصمام الثنائي العادي عندما يكون في وضع التحيز الأمامي، ولديه جهد تشغيل يتراوح بين (0.3 و 0.7) فولت، ومع ذلك ، عند التوصيل في الوضع العكسي، وهو أمر معتاد في معظم تطبيقاته، قد يتدفق تيار تسرب صغير. مع زيادة الجهد العكسي إلى جهد الانهيار المحدد مسبقًا (V_z)، يبدأ التيار بالتدفق عبر الصمام الثنائي. يزداد التيار إلى الحد الأقصى، والذي يتم تحديده بواسطة المقاومة المتصلة على التوالي، وبعد ذلك يستقر ويظل ثابتًا على مدى واسع من الجهد المطبق.

كيف يعمل زينر دايود في التحيز العكسي؟

يعمل الصمام الثنائي (Zener) تمامًا مثل الصمام الثنائي العادي عندما يكون متحيزًا للأمام. ومع ذلك، عند الاتصال في الوضع المنحاز العكسي، يتدفق تيار تسرب صغير عبر الصمام الثنائي. مع زيادة الجهد العكسي إلى جهد الانهيار المحدد مسبقًا (V_z)، يبدأ التيار في التدفق عبر الصمام الثنائي. يزداد التيار إلى الحد الأقصى، والذي يتم تحديده بواسطة المقاومة الموصولة على التوالي، وبعد ذلك يستقر ويظل ثابتًا على مدى واسع من الجهد المطبق.

هناك نوعان من الانهيارات (breakdowns) في Zener Diode:

• انهيار – Avalanche Breakdown.

• انهيار زينر – Zener Breakdown.

انهيار – Avalanche – في زينر ديود:

يحدث انهيار (Avalanche breakdown) في كل من الصمام الثنائي العادي و(Zener Diode) عند الجهد العكسي العالي. عندما يتم تطبيق قيمة عالية للجهد العكسي على تقاطع (PN)، تكتسب الإلكترونات الحرة طاقة كافية وتتسارع بسرعات عالية. هذه الإلكترونات الحرة التي تتحرك بسرعة عالية تصطدم بذرات أخرى وتقطع المزيد من الإلكترونات.

بسبب هذا الاصطدام المستمر، يتم إنشاء عدد كبير من الإلكترونات الحرة نتيجة للتيار الكهربائي في الصمام الثنائي بسرعة متزايدة. قد تؤدي هذه الزيادة المفاجئة في التيار الكهربائي إلى تدمير الصمام الثنائي العادي بشكل دائم، ومع ذلك، فإنّ الصمام الثنائي (Zener) مصمم للعمل في ظل انهيار (Avalanche) ويمكن أن يحافظ على الارتفاع المفاجئ للتيار. يحدث انهيار (Avalanche) في ثنائيات زينر بجهد زينر (V_z) أكبر من (6) فولت.

انهيار زينر – Zener breakdown:

يكون الانهيار إما بسبب تأثير انهيار (Zener) الذي يحدث تحت (5.5) فولت، أو تأين التأثير الذي يحدث أعلى من (5.5) فولت. تؤدي كلا الآليتين إلى نفس السلوك ولا تتطلب دوائر مختلفة؛ ومع ذلك، فإنّ كل آلية لها معامل درجة حرارة مختلف. تأثير (Zener) له معامل درجة حرارة سالب بينما تأثير التأثير له معامل إيجابي. يتساوى تأثيرا درجة الحرارة تقريبًا عند (5.5) فولت ويلغيان بعضهما البعض لجعل ثنائيات زينر المصنفة عند حوالي (5.5) فولت هي الأكثر استقرارًا على نطاق واسع من ظروف درجات الحرارة.

مواصفات زينر دايود – Zener diode specifications:

تختلف ثنائيات زينر في المواصفات مثل جهد التشغيل الشكلي، وتبديد الطاقة، والحد الأقصى للتيار العكسي، والتعبئة. تتضمن بعض المواصفات الشائعة الاستخدام:

• الجهد – V_z: يشير جهد (Zener) إلى جهد الانهيار العكسي (- 2.4) فولت إلى حوالي (200) فولت؛ يمكن أن يصل إلى (1) كيلو فولت بينما يبلغ الحد الأقصى للجهاز المثبت على السطح (SMD) حوالي (47) فولت.

• تيار – I_z “الحد الأقصى”: الحد الأقصى للتيار عند جهد (Zener) المقدر (- 200 uA إلى 200 A).

• تيار – I_z “الحد الأدنى”: الحد الأدنى للتيار المطلوب لكي ينهار الصمام الثنائي (—5 مللي أمبير و 10 مللي أمبير).

• تصنيف الطاقة: أقصى طاقة يمكن أن يبددها الصمام الثنائي (Zener)؛ ناتج عن ناتج الجهد عبر الصمام الثنائي الذي يتدفق التيار عبره. القيم النموذجية هي (400) ميغاواط و(500) ميغاواط و(1) واط و(5) واط ؛ للتركيب على السطح، (200) ميغاواط، (350) ميغاواط، (500) ميغاواط، و(1) واط نموذجية.

• تحمل الجهد: عادةً (± 5٪).

• استقرار درجة الحرارة: تتمتع الثنائيات حول (5) فولت بأفضل استقرار.

• الحزمة: يتم تثبيت الأجهزة المحتوية على الرصاص والسطح إما كأجهزة منفصلة أو داخل دوائر متكاملة.

• مقاومة زينر (R_z): يُظهر الصمام الثنائي بعض المقاومة كما يتضح من خصائص (IV).

تطبيقات زينر دايود:

الصمام الثنائي زينر كمنظم للجهد:

يستخدم (Zener diode) كمنظم جهد تحويلة لتنظيم الجهد عبر الأحمال الصغيرة. سيكون جهد انهيار ثنائيات زينر ثابتًا لمجموعة واسعة من التيار. يتم توصيل الصمام الثنائي (Zener) بالتوازي مع الحمل لجعله متحيزًا عكسيًا وبمجرد أن يتجاوز الصمام الثنائي (Zener) “جهد الركبة”، سيصبح الجهد عبر الحمل ثابتًا.

الصمام الثنائي زينر في الحماية من الجهد الزائد:

عندما يكون جهد الدخل أعلى من جهد انهيار (Zener)، ينخفض الجهد عبر المقاومة مما يؤدي إلى دائرة كهربائية قصيرة (short circuit). يمكن تجنب ذلك باستخدام الصمام الثنائي (Zener).

الصمام الثنائي زينر في دوائر القطع – Clipping circuits:

يستخدم (Zener diode) لتعديل دوائر قطع الموجة (AC) عن طريق الحد من أجزاء واحدة أو كلتا الدورتين النصفي لشكل موجة التيار المتردد.

الصمام الثنائي لتشكيل الموجة:

يستخدم الصمام الثنائي (Zener) لتحويل الموجة الجيبية إلى موجة مربعة، ويمكن القيام بذلك عن طريق وضع ثنائيات زينر على التوالي مع المقاومة. يتم توصيل الصمام الثنائي من الخلف إلى الخلف وفي الاتجاه المعاكس. عندما يكون الجهد المطبق عبر الطرف أقل من جهد زينر، فإنّ الثنائيات تقدم مسارًا عالي المقاومة للتيار ويظهر جهد الدخل المطبق عبر الصمام الثنائي عند طرف الخرج.

عندما يرتفع الجهد عن جهد زينر، فإنّها توفر مسار مقاومة منخفض وتدفق تيار كبير عبر الصمام الثنائي. بسبب انخفاض الجهد الثقيل الذي يحدث عبر المقاومة وقطع موجة الإدخال في الذروة. وهكذا، تظهر الموجة المربعة عبر طرف الخرج.