Ako funguje zenerova dióda
Zenerova dióda alebo zenerova dióda (polovodičová zenerova dióda) je špeciálna dióda, ktorá pracuje v stabilnom režime rozpadu za podmienok spätného predpätia pn prechodu. Kým nedôjde k tomuto prierazu, preteká zenerovou diódou len veľmi malý prúd, zvodový prúd, v dôsledku vysokého odporu uzavretej zenerovej diódy.
Ale keď dôjde k poruche, prúd sa okamžite zvýši, pretože diferenciálny odpor zenera je v tomto bode od zlomkov po stovky ohmov. Týmto spôsobom sa napätie na zenerovej dióde udržiava veľmi presne v pomerne širokom rozsahu spätných prúdov.
Zenerova dióda sa nazýva Zenerova dióda (z anglického Zenerova dióda) na počesť vedca, ktorý ako prvý objavil fenomén prerušenia tunela, amerického fyzika Clarencea Melvina Zenera (1905 — 1993).
Elektrický rozpad pn prechodu, ktorý objavil Zener, súvisiaci s tunelovým efektom, fenoménom úniku elektrónov cez tenkú potenciálnu bariéru, sa dnes nazýva zenerov efekt, ktorý dnes slúži v polovodičových Zenerových diódach.
Fyzický obraz účinku je nasledujúci.Pri spätnom predpätí p-n prechodu sa energetické pásy prekrývajú a elektróny sa môžu pohybovať z valenčného pásma p-oblasti do vodivého pásma n-oblasti v dôsledku elektrické pole, to zvyšuje počet voľných nosičov náboja a spätný prúd sa prudko zvyšuje.
Hlavným účelom zenerovej diódy je teda stabilizácia napätia. Priemysel vyrába polovodičové zenerove diódy so stabilizačnými napätiami od 1,8 V do 400 V, vysokým, stredným a nízkym výkonom, ktoré sa líšia maximálnym prípustným spätným prúdom.
Na tomto základe sa vyrábajú jednoduché stabilizátory napätia. V diagramoch sú zenerové diódy označené symbolom podobným symbolu diódy, len s tým rozdielom, že katóda zenerových diód je znázornená vo forme písmena «G».
Zenerove diódy s latentnou integrovanou štruktúrou so stabilizačným napätím približne 7 V sú najpresnejšie a najstabilnejšie referenčné zdroje napätia v pevnej fáze: ich najlepšie príklady sú charakteristicky blízke normálnemu galvanickému článku Weston (referenčný galvanický článok s ortuťou a kadmiom).
K špeciálnemu typu zenerových diód patria vysokonapäťové lavínové diódy ("TVS-diódy" a "supresory"), ktoré sa široko používajú v obvodoch prepäťovej ochrany všetkých druhov zariadení.
Ako vidíte, zenerova dióda na rozdiel od konvenčnej diódy pracuje na reverznej vetve charakteristiky I — V. V bežnej dióde, ak je na ňu privedené spätné napätie, môže dôjsť k zlyhaniu jedným z troch spôsobov (alebo všetkým naraz): prerazenie tunela, lavínové prerušenie a rozpad v dôsledku tepelného ohrevu zvodovými prúdmi.
Tepelný prieraz kremíkových zenerových diód nie je dôležitý, pretože sú navrhnuté tak, že buď prieraz tunela, lavínový prieraz alebo oba typy prierazu nastanú súčasne dlho pred trendom tepelného prierazu. Séria zenerových diód sa v súčasnosti vyrába prevažne z kremíka.
Prieraz pri napätí pod 5 V je prejavom Zenerovho javu, prieraz nad 5 V je prejavom lavínového rozpadu. Stredné prierazné napätie okolo 5 V je zvyčajne výsledkom kombinácie týchto dvoch účinkov. Sila elektrického poľa v okamihu rozpadu zenerovej diódy je asi 30 MV / m.
Prieraz Zenerovej diódy sa vyskytuje v stredne dotovaných polovodičoch typu p a silne dotovaných polovodičoch typu n. So zvyšujúcou sa teplotou prechodu sa odizolovanie zenerovej diódy znižuje a príspevok k lavínovému rozpadu sa zvyšuje.
Zenerove diódy majú nasledujúce typické charakteristiky. Vz — stabilizačné napätie. Dokumentácia špecifikuje dve hodnoty pre tento parameter: maximálne a minimálne stabilizačné napätie. Iz je minimálny stabilizačný prúd. Zz je odpor zenerovej diódy. Izk a Zzk — prúdový a dynamický odpor pri jednosmernom prúde. Ir a Vr sú maximálny zvodový prúd a napätie pri danej teplote. Tc je teplotný koeficient. Izrm — maximálny stabilizačný prúd zenerovej diódy.
Zenerove diódy sú široko používané ako nezávislé stabilizačné prvky, ako aj ako zdroje referenčných napätí (referenčných napätí) v tranzistorových stabilizátoroch.
Na získanie malých referenčných napätí sa zenerové diódy zapínajú aj v priepustnom smere, ako bežné diódy, potom bude stabilizačné napätie jednej zenerovej diódy 0,7 - 0,8 voltov.
Maximálny výkon rozptýlený telom zenerovej diódy je zvyčajne v rozsahu 0,125 až 1 watt. To spravidla postačuje na normálnu prevádzku ochranných obvodov proti impulznému hluku a na konštrukciu stabilizátorov s nízkym výkonom.