الصمام الثنائي زينر: العمل والانهيار والتطبيقات

الصمام الثنائي زينر هو نوع خاص من الصمام الثنائي يسمح للتيار بالتدفق في الاتجاه المعاكس بمجرد وصول الجهد إلى قيمة محددة ، تسمى جهد زينر. يحافظ على ثبات الجهد ويحمي الدوائر من التغيرات المفاجئة. تشرح هذه المقالة بالتفصيل كيفية عمل صمامات زينر الثنائية وأنواعها واستخداماتها ومشكلات الموثوقية الشائعة.

ج 1. أساسيات الصمام الثنائي زينر

ج 2. الفيزياء وراء انهيار زينر وانهيار الانهيار الجليدي

ج 3. الاختلافات بين الصمام الثنائي القياسي والصمام الثنائي زينر

ج 4. استخدام الصمام الثنائي Zener للحفاظ على ثبات الجهد

ج 5. أنواع منظم جهد الصمام الثنائي زينر

ج 6. الصمام الثنائي Zener مع الترانزستور أو Op-Amp Buffer

ج 7. ضوضاء الصمام الثنائي زينر والتعامل العابر

ج 8. زينر قص وتحديد الدوائر

ج 9. موثوقية الصمام الثنائي Zener وأوضاع الفشل

ج 10. استنتاج

ج 11. الأسئلة المتكررة [FAQ]

أساسيات الصمام الثنائي زينر و 

الصمام الثنائي Zener هو جهاز أشباه الموصلات المصمم الذي يسمح للتيار بالتدفق ليس فقط في الاتجاه الأمامي ، مثل الصمام الثنائي القياسي ، ولكن أيضا في الاتجاه العكسي بمجرد الوصول إلى جهد معين يسمى جهد انهيار Zener (Vz). بدلا من التلف بسبب الجهد العكسي مثل الصمام الثنائي العادي ، تم تطوير الصمام الثنائي Zener للعمل بأمان في منطقة الانهيار هذه. هذه الميزة الفريدة تجعلها مثالية لتنظيم الجهد والدوائر المرجعية للجهد والحماية من الجهد الزائد.

عندما يتجاوز الجهد العكسي المطبق عبر الصمام الثنائي Zener جهد Zener المقنن (على سبيل المثال ، 3.3 فولت أو 5.1 فولت أو 12 فولت) ، فإنه يحافظ على جهد ثابت تقريبا عبر أطرافه ، حتى لو تغير جهد الدخل أو تيار الحمل. هذه القدرة على تثبيت الجهد تجعلها تستخدم على نطاق واسع في إمدادات الطاقة والدوائر الإلكترونية التي تتطلب مستويات جهد موثوقة.

الفيزياء وراء انهيار زينر وانهيار الانهيار الجليدي

توضح الصورة خصائص IV (الجهد الحالي) للصمام الثنائي Zener ، مما يوضح كيفية تصرفه في ظل ظروف التحيز الأمامي والعكسي. يسلط الضوء على آليتين للانهيار: انهيار Zener و Avalanche Breakdown ، والتي تحدث في المنطقة العكسية من الرسم البياني.

في المنطقة الأمامية ، يبدأ الصمام الثنائي في توصيل التيار بمجرد أن يتجاوز الجهد الأمامي عتبة معينة تعرف باسم جهد التشغيل (VT) ، مثل الصمام الثنائي المزدوج PN العادي. يزداد التيار بسرعة مع الجهد في هذه المنطقة.

في المنطقة العكسية ، يحجب الصمام الثنائي التيار في البداية حتى يصل الجهد العكسي إلى قيمة معينة. يمكن أن يحدث سيناريوهين:

• انهيار زينر (VZ): بالنسبة للثنائيات ذات الفولتية الانهيار أقل من حوالي 5-6 فولت ، يهيمن تأثير النفق الميكانيكي الكمي المسمى انهيار زينر. يقوم الصمام الثنائي بتوصيل تيار عكسي كبير بأمان مع الحفاظ على جهد ثابت تقريبا. يتم استغلال هذا في تنظيم الجهد.

• انهيار الانهيار الجليدي (VB): عند الفولتية العكسية الأعلى ، يؤدي تأين الصدمات إلى انهيار الانهيار الجليدي. ينتج عن هذا أيضا التوصيل ولكنه يستخدم في تطبيقات الجهد العالي.

الاختلافات بين الصمام الثنائي القياسي والصمام الثنائي زينر

استخدام الصمام الثنائي زينر للحفاظ على ثبات الجهد

الصمام الثنائي Zener هو جزء إلكتروني خاص يمكن أن يساعد في الحفاظ على الجهد عند مستوى ثابت. يكون هذا مفيدا عندما يعطي مصدر الطاقة جهدا أكبر مما تحتاجه دائرتك. يساعد Zener من خلال التحكم في مقدار الجهد الذي يذهب إلى الحمل (جزء الدائرة الذي يستخدم الطاقة).

لإعداده، يمكنك توصيل مقاوم والصمام الثنائي Zener. يذهب المقاوم أولا ، متصلا بمصدر الطاقة. يتم وضع الصمام الثنائي Zener للخلف (في التحيز العكسي) عبر الحمل. قد يبدو هذا غريبا ، لكن ثنائيات Zener مصممة للعمل على هذا النحو. عندما يرتفع الجهد بشكل كبير ، يتم تشغيل Zener ويسمح بتدفق التيار الإضافي ، مما يحافظ على الجهد عند مستواه المقنن (يسمى جهد Zener).

لكن المقاوم هو المطلوب تماما. يحد من التيار الذي يدخل الصمام الثنائي Zener والحمل. بدون هذا المقاوم ، قد يؤدي التيار الزائد إلى إتلاف الصمام الثنائي أو الأجزاء الأخرى في دائرتك.

لاختيار المقاوم المناسب ، يمكنك استخدام صيغة بسيطة:

إليك ما تعنيه هذه الرموز:

• فين: الجهد من مصدر الطاقة الخاص بك.

• Vz: الجهد الذي تريده عبر الحمل (جهد Zener).

• Iz: يجب أن يعمل التيار عبر الصمام الثنائي Zener بشكل صحيح.

• Iload: التيار المستخدم من قبل الحمل الخاص بك.

بمجرد توصيل الأرقام بالصيغة ، فإنها تمنحك قيمة المقاوم التي تحتاجها. لا بأس في استخدام قيمة المقاوم الأكبر التالية إذا لم تكن القيمة الدقيقة متوفرة.

أنواع منظم جهد الصمام الثنائي زينر

منظم التحويلة

في منظم التحويلة ، يتم توصيل الصمام الثنائي Zener بالتوازي مع الحمل. هذا يعني أنه يجلس عبر نفس النقطتين اللتين يتصل بهما الحمل. عندما يتجاوز الجهد نقطة انهيار Zener ، فإنه يبدأ في التوصيل ويمنع الجهد من الارتفاع بشكل كبير.

منظم سلسلة

في منظم السلسلة ، يتم استخدام الصمام الثنائي Zener بشكل مختلف. بدلا من التحكم في الجهد مباشرة عبر الحمل ، يتم استخدام Zener لتوفير جهد مرجعي لقاعدة الترانزستور (BJT). يجلس الترانزستور في سلسلة مع الحمل ، مما يعني أنه يتماشى مع المسار الحالي.

الصمام الثنائي زينر مع الترانزستور أو المخزن المؤقت Op-Amp

زنر مع متابع باعث BJT

تتمثل إحدى الطرق الشائعة لتعزيز معالجة التيار في توصيل ترانزستور تقاطع ثنائي القطب (BJT) في تكوين تابع باعث (مجمع مشترك). إليك كيفية عملها:

• يتم وضع الصمام الثنائي Zener في انحياز عكسي ومتصل بقاعدة BJT.

• يصبح باعث الترانزستور هو الإخراج المنظم الجديد.

• جهد الخرج تقريبا:

يقوم هذا الإعداد بتفريغ العبء الحالي من Zener إلى الترانزستور ، مما يسمح له بتوفير تيارات تحميل أعلى دون التأثير على تنظيم الجهد. يحتاج Zener الآن فقط إلى توفير التيار الأساسي الصغير للترانزستور.

زينر مع عازلة Op-Amp

لتنظيم الجهد بشكل أكثر دقة ، خاصة في الدوائر التناظرية أو الحساسة ، يمكنك توصيل Zener بالمدخل غير المقلوب لمكبر صوت مرجعي تم تكوينه كتابع جهد (مخزن مؤقت). يوفر هذا فائدتين رئيسيتين:

• مقاومة إدخال عالية: لا يسحب المرجع أي تيار تقريبا من Zener ، مما يحافظ على استقرار جهد Zener

• مقاومة الإخراج المنخفضة: يمكنها قيادة الأحمال دون التسبب في انخفاض الجهد

هذا يجعل إعداد Zener المخزن مؤقتا بمضخم الصوت مثاليا للاستخدام كمرجع جهد ثابت في الدوائر التناظرية أو مراجع ADC أو دوائر انحياز المستشعر.

ضوضاء الصمام الثنائي زينر والتعامل العابر

تقليل الضوضاء

عندما يعمل الصمام الثنائي Zener في منطقة الانهيار الخاصة به ، يمكن أن تظهر تقلبات جهد عشوائية صغيرة تسمى الضوضاء. لتقليل ذلك ، يتم توصيل مكثف جانبي (حوالي 100 nF) مباشرة عبر الصمام الثنائي Zener. يعمل هذا المكثف على تنعيم التغييرات السريعة في الجهد وتصفية الضوضاء عالية التردد ، مما يحافظ على جهد الخرج أكثر استقرارا.

الحماية العابرة

يمكن أن تولد خطوط الكهرباء أو دوائر التبديل ارتفاعات مفاجئة في الجهد تعرف باسم العابرين. يمكن أن تضغط هذه الصمام الثنائي Zener أو المكونات المتصلة. تساعد إضافة دائرة snubber ، وهي مزيج من المقاوم والمكثف على التوالي ، على امتصاص هذه المسامير وتحمي الدائرة من الزيادات المفاجئة.

التموج واستقرار العرض

إذا كان جهد الدخل يحتوي على تموج (اختلافات صغيرة في التيار المتردد على إشارة التيار المستمر) ، يمكن أن يتقلب خرج Zener أيضا. لتقليل التموج:

• استخدم مقاوما متسلسلا أكبر (Rs) للحد من الاختلافات الحالية

• أضف مكثفا سائبا عند الإدخال لتنعيم جهد الإمداد

• حافظ على تيار Zener ضمن نطاق التشغيل المقنن للحصول على أداء ثابت

زينر قص وتحديد الدوائر

قصة زينر واحدة

عندما يتم توصيل صمام ثنائي زينر واحد في انحياز عكسي عبر خط إشارة ، فإنه يبدأ في التوصيل بمجرد أن يتجاوز جهد الإشارة جهد زينر. هذا يمنع الإشارة من الارتفاع فوق هذا المستوى ، مما يؤدي بشكل فعال إلى قص أي جهد زائد. يتم استخدامه بشكل شائع لحماية مدخلات الدوائر الحساسة أو لإنشاء حدود شكل موجة خاضعة للرقابة.

زينر متتالية لإشارات التيار المتردد

بالنسبة للإشارات المتناوبة ، يتم وضع ثنائيين من Zener متتاليين (في اتجاهين متعاكسين). يسمح هذا الترتيب للدائرة بقص كل من القمم الموجبة والسالبة بشكل متماثل ، مما يحافظ على شكل الموجة ضمن نطاق جهد ثابت. غالبا ما تستخدم هذه التقنية في معالجة الصوت أو تشكيل الموجة لمنع التشويه أو حماية مدخلات مكبر الصوت.

الحد من الجهد وحماية المدخلات

تعمل الثنائيات Zener أيضا بشكل جيد كمحددات للجهد للأنظمة الرقمية. يمكنهم حماية دبابيس الإدخال الخاصة بالمتحكمات الدقيقة أو الدوائر المتكاملة المنطقية أو ADCs من طفرات الجهد التي قد تتلفها بطريقة أخرى. عندما يرتفع الجهد فوق عتبة Zener ، يقوم الصمام الثنائي بتوصيل الجهد وتثبيت الجهد بأمان ضمن الحدود.

موثوقية الصمام الثنائي زينر وأوضاع الفشل

الأسباب الشائعة لتدهور الصمام الثنائي زينر

ممارسات التصميم الوقائي

الخلاصة 

ثنائيات زينر هي مكونات موثوقة للحفاظ على ثبات الجهد ومنع التلف الناتج عن الزيادات المفاجئة. يسمح لهم سلوك الانهيار الفريد بتنظيم الطاقة وحماية الأجزاء الحساسة من الدائرة. مع التصميم المناسب والتحكم الحالي ، فإنها توفر أداء طويل الأمد ومستقرا في تطبيقات تنظيم الجهد والحماية.

الأسئلة المتكررة [التعليمات]

ما هو رمز الصمام الثنائي زينر؟

يبدو وكأنه رمز صمام ثنائي عادي ولكن مع حواف مثنية على خط الكاثود ، مما يدل على أنه يسير في الاتجاه المعاكس عند الوصول إلى جهد زينر.

كيف تؤثر درجة الحرارة على جهد زينر؟

ينخفض جهد زينر مع درجة حرارة الثنائيات التي تقل عن 5.6 فولت ويزداد لتلك التي تزيد عن 5.6 فولت. حوالي 5.6 فولت ، يظل مستقرا تقريبا.

كيف تختبر الصمام الثنائي زينر بمقياس متعدد؟

في وضع الصمام الثنائي ، يظهر التحيز الأمامي حوالي 0.6-0.7 فولت ، ويظهر التحيز العكسي مفتوحا. للتحقق من جهد Zener ، قم بتشغيله في الاتجاه المعاكس باستخدام مقاوم وقياس الجهد الثابت.

ما الذي يحدد تصنيف قدرة الصمام الثنائي زينر؟

إنه نتاج جهد زينر والتيار (P = VZ × IZ). التصنيفات الشائعة هي 0.25 واط و 0.5 واط و 1 واط ، مما يوضح مقدار الطاقة التي يمكن أن يتعامل معها الصمام الثنائي بأمان.

ما هي المقاومة الديناميكية في الصمام الثنائي زينر؟

إنه تغيير الجهد الصغير مقسوما على التغيير الحالي في منطقة الانهيار. المقاومة الديناميكية المنخفضة تعني استقرارا أفضل للجهد.

هل يمكن للصمام الثنائي زينر تنظيم جهد التيار المتردد؟

نعم ، عندما يتم توصيل اثنين من Zener متتاليين ، يمكنهما قص كل من القمم الموجبة والسالبة ، مما يحد من تقلبات جهد التيار المتردد.