ثنائى الزينر Zener Diodeواستخدامه فى تصميم مصدر جهد منظم

F.Abdelaziz · 22-11-2012, 11:47 AM

ثنائى الزينر Zener Diodeواستخدامه فى تصميم مصدر جهد منظم

مقدمة :
الثنائى العادى (ثنائى الوصلة) المنحاز عكسيا يمنع مرور التيار فى الاتجاه العكسى , لكنه قد يعانى من الانهيار أو التلف إذا كان الجهد العكسى المطبق عبره مرتفع جدا .
مع ذلك , فإن ثنائى الزينر أو " ثنائى الانهيار" "Breakdown Diode" كما يسمى أحيانا , هو فى الأساس مثل ثنائى الوصلة ولكنه مصمم خصيصا لكى يكون له جهد إنهيار عكسى منخفض محدد مسبقا للاستفادة من هذا الجهد العكسى . النقطة التى عندها ينهار أو يوصل ثنائى الزينر تسمى "جهد الزينر" "Zener Voltage" (Vz) .
ثنائى الزينر مثل ثنائى الإشارة للأغراض العامة , يتكون من وصلة PNعندما ينحاز فى الاتجاه الأمامى يتصرف مثل ثنائى الإشارة العادى تماما ويمرر التيار المقنن , ولكن عندما يطبق عليه جهد عكسى فإن تيار التشبع العكسى الصغير جدا يظل ثابت إلى حد ما فى مدى واسع من الجهد . يتزايد الجهد العكسى حتى يصل إلى جهد إنهيار الثنائى VB , عند هذه النقطة تحدث عملية تسمى "الانهيار الجليدى" Avalanche Breakdown فى طبقةالاستنذاف ويتزايد التيار المار خلال ثنائى الزينر بشكل كبير إلى أقصى قيمة له
( والذى عادة ما يتم تحديده عن طريق مقاومة توالى RS) . نقطة جهد الإنهيار هذه تسمى "جهد الزينر""zener voltage"(Vz) لثنائى الزينر .

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 Regulator

F.Abdelaziz · 22-11-2012, 11:49 AM

ثنائى الزينر كمنظم جهد : The Zener Diode Regulator

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 .

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 توضيحى :

F.Abdelaziz · 22-11-2012, 11:51 AM

مثال توضيحى :

مثال :

F.Abdelaziz · 22-11-2012, 11:55 AM

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 1k 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 :