الزنر دايود او ثنائي الزنر zener Diode

يتشابه الثنائي زينر مع الدايود العادي و لكن يختلف ببعض خصائصه حيث يتم إضافة شوائب اكثر اليه و  يتميز بخاصية التوصيل في حالة الانحياز العكسي تحت ثبات الجهد المطبق عليه

وللزينر حالتين من العمل

إذ أنه يعمل في الإتجاهين الأمامي والعكسي فهو يتصرف في الإتجاه الأمامي تصرف الديود العادي تماما وفي الإتجاه العكسي يعمل على تمرير تيار كهربائي محدد
والجهد و التيار على طرفيه يكن ثابت دائماً

المهبط او الكثود

على القطب الموجب للتغذية والمصعد او الانود مع السالب للتغذية وعند وصول الفولت إلى قيمة أعلى من فولتية الزينر العكسية وهي نقطة عمل الزينر فإنه يفتح الباب للتيار لكي يذهب إلى القطب السالب مع المحافظة على ثبات الجهد عند نقطة عمله في الإنحياز العكسي وتكون كمية الجهد التي يمررها إلى القطب السالب هي مقدار جهد التغذية ناقص جهد الزينر

فلو كان

لدينا مصدر  تغذيه ذو جهد 12 فولت ووضعت زينر على التفرع وبإنحياز عكسي قيمته 6.1 فولت فكمية الجهد الخارجة من الزينر إلى القطب السالب تكون

12-6.1= 5.9 فولت

أي

تبقى الفولتية ثابتة على مهبط الزينر عند قيمة فولتيته العكسية مهما حصل إلا إذا إنهار وطبعا لكل زينر جهد إنهيار يصبح بعد هذا الجهد ( جهد الإنهيار ) إما على شكل شريط أي يشكل دارة قصر أو يقطع يعني مقاومة لانهائية )

كيف يعمل الزنر دايود

يتم استخدام ثنائى الزينر وهو فى حالة “انحياز عكسى” أو فى نظام الإنهيار العكسى , بمعنى أن مصعد الثنائى يوصل بسالب المصدر . من منحنى الخواص I-V بأعلاه , يمكننا أن نرى أن ثنائى الزينر له منطقة انحياز العكسى يكون فيها الجهد غالبا سالب وثابت (جهد الزينر) بغض النظر عن قيمة التيار المار خلال الثنائى ويظل ثابتا حتى مع التغيرات الكبيرة فى التيار ما دام تيار ثنائى الزينر يظل بين الحد الأدنى لتيار الانهيار IZ(min) والحد الأقصى لمقنن التيار IZ(max) .

يمكن استخدام قدرة الزينر على التحكم فى نفسه فى تنظيم أو استقرار مصدر جهد ضد التغيرات فى المصدر أو الحمل . حقيقة أن الجهد عبر ثنائى الزينر فى منطقة الإنهيار يكون تقريبا ثابت , تحولت إلى تطبيق هام لثنائى الزينر كمنظم للجهد . وظيفة منظم الجهد هى توفير جهد خرج ثابت إلى الحمل المتصل على التوازى معه بغض النظر عن التعرجات (التموجات) فى جهد المصدر أو التغير فى تيار الحمل وسوف يظل ثنائى الزينر فى تنظيم الجهد حتى يهبط تيار الثنائى عن قيمة الحد الأدنى IZ(min) فى منطقة الانهيار العكسى

 

ثنائى الزينر كمنظم جهد : The Zener Diode Regulato

 يمكن استخدام ثنائى الزينر لإنتاج جهد خرج مستقر stabilized مع تموجات منخفضة تحت أحوال التغيير فى تيار الحمل . عن طريق إمرار تيار صغير خلال الثنائى من جهد المصدر , عبر مقاومة مناسبة لتحديد التيار (RS) , فإن ثنائى الزينر سوف يوصل تيار كافى للحفاظ على هبوط الجهد Vout .

نحن نتذكر أن جهد الخرج للتيار المستمر DC من مقوم نصف الموجة أو مقوم الموجة الكاملة يحتوى على تموجات راكبة فوق الجهد المستمر وتتغير مع تغير الحمل . عن طريق توصيل دائرة بسيطة لاستقرار الجهد بثنائى الزينر كما هو مبين أدناه عبر خرج المقوم , فإنه يمكن إنتاج جهد خرج أكثر إستقرارا .

عبر ثنائى الزينر

يتم توصيل المقاومة RSعلى التوالى مع ثنائى الزينر للحد من تدفق التيار خلال الثنائى من مصدر الجهد VS المتصل عبر المجموعة . يتم أخذ جهد الخرج المستقر Vout عبر ثنائى الزينر . يتم توصيل ثنائى الزينر بحيث يكون طرف مهبطه متصل بموجب المصدر الثابت DC بحيث يكون منحازا عكسيا وسوف يعمل فى حالة إنهياره . يتم اختيار المقاومة RS بحيث تحد من أقصى تيار يمر بالدائرة .

فى حالة عدم وجود حمل متصل بالدائرة , يكون تيار الحمل بصفر , ( IL = 0 ) , وكل تيار الدائرة يمر خلال ثنائى الزينر والذى بدوره يبدد أقصى قدرة له . أيضا القيمة الصغيرة لمقاومة التوالى RS سوف تتسبب فى مزيد من تيار الثنائى وهذا يؤدى إلى زيادة القدرة المطلوب تبديدها بالثنائى , لذلك يجب الحيطة عند اختيار القيمة المناسبة لمقاومة التوالى بحيث لا نتعدى مقنن أقصى قدرة للثنائى تحت حالة عدم وجود حمل أو حمل بمعاوقة كبيرة .

الحمل متصل على التوازى مع ثنائى الزينر , لذلك فإن الجهد عبر RL هو دائما نفسه جهد الزينر , ( VR = VZ ). يوجد حد أدنى لتيار الزينر حتى يكون استقرار الجهد فعال وتيار الزينر يجب أن يظل فوق هذه القيمة عند العمل تحت الحمل فى مدى منطقة إنهياره كل الوقت . الحد الأقصى للتيار بالطبع يعتمد على مقنن القدرة للجهاز . جهد المنبع يجب أن يكون أكبر من جهد الزينر VZ .

مشكلة واحدة صغيرة مع دوائر الاستقرار بثنائى الزينر , وهى أن الثنائى يمكن فى بعض الأحيان أن يولد ضوضاء كهربائية على قمة المصدر الثابت أثناء محاولته تثبيت الجهد . عادة هذه لا تكون مشكلة فى معظم التطبيقات لكن قد تكون هناك حاجة لإضافة مكثف فك الارتباط decoupling بقيمة كبيرة عبر الزينر لإعطاء تنعيم إضافى .

الملخص :

يتم تشغيل ثنائى الزينر دائما فى حالة الانحياز العكسى . يمكن تصميم دائرة منظم جهد باستخدام ثنائى الزينر للحفاظ على جهد الخرج المستمر ثابت عبر الحمل بغض النظر عن التغيرات فى جهد الدخل أو فى تيار الحمل . منظم الجهد بالزينر يتكون من مقاومة الحد من التيار RS متصلة على التوالى مع جهد الدخل VSوثنائى الزينر المتصل على التوازى مع الحمل RLوهو فى حالة انحيار عكسى . جهد الخرج المستقر دائما يختار ليكون هو نفسه جهد الانهيار VZ للثنائى .

مثال :

مطلوب تصميم مصدر قدرة مستقر عند 5.0V , من مصدر قدرة دخل 12V DC . مقنن أقصى قدرة PZ لثنائى الزينر هو 2W . استخدم منظم الزينر بالدائرة بأعلاه لحساب :

أ‌- أقصى تيار يمر خلال ثنائى الزينر :

أول خطوات التصميم هى تحديد أقصى تيار يسمح بمروره خلال الزينر :

أهم ثلاثة مقننات للزينر دايود تذكر فى الداتا شيت هى : أقصى قدرة تبديد للحرارة PZ, وجهد الزنر Vz , وأقصى تيار يسمح بمروره خلال الزينر Imax , مع ملاحظة بقسمة أقصى قدرة تبديد للحرارة على جهد الزينر يمكن الحصول على أقصى تيار يسمح بمروره خلال الزينر كما يلى :

ملحوظة : يمكن الحصول على أقصى تيار مباشرة من الداتا شيت إذا كان رقم الزينر معروف .

ب‌- أدنى قيمة لمقاومة التوالى RS:

الخطوة الثانية فى التصميم هى تحديد أدنى مقاومة توالى يمكن استخدامها :

تيار المصدر (التيار الكلى) يساوى مجموع تيار الزينر وتيار الحمل , ومن ثم يكون تيار الزينر مساويا للتيار الكلى مطروحا منه تيار الحمل وبالتالى يكون تيار الزينر أكبر مايمكن عندما يكون تيار الحمل بصفر ( عدم وجود حمل أو حمل ذات معاوقة مرتفعة جدا )

Is = Iz + IL >> Iz = Is – IL

فى هذه الحالة يكون :

Vs = Is Rs + Vz & Is = Imax = 400 mA

وبالتالى يمكن حساب أدنى مقاومة تسمح بمرور أقصى تيار بالزينر كما يلى :

ملحوظة : بالطبع يجب استخدام مقاومة أعلى من هذه المقاومة حتى يكون أقصى تيار يمر الزينر أقل من مقنن أقصى تيار للزينر , كما أنها لا يجب أن تكون كبيرة فيقل التيار عن الحد الأدنى ويخرج المنظم عن وظيفته .

ت‌- تيار الحمل ILإذا وصلت مقاومة حمل 1kΩ عبر ثنائى الزينر :

الخطوة الثالثة فى التصميم عند توصيل الحمل يتم حساب تيارالحمل المقابل لقيمة معاوقته علما بأن الجهد عبره يكون ثابت ويساوى جهد الزينر :

ث‌- تيار المصدر الكلى IS عند الحمل الكامل :

وأخيرا حساب التيار الكلى :

 

تم شرح الزنر دايود بالتفصيل بمحاضرة مفصله على قناتنا على اليوتيوب 

 


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *