ما هو دايود الزينر؟

يعمل الدايود العادي على توصيل التيار في اتجاه واحد. ويوجد نوع خاص من الدايوات يسمح بمرور التيار في الاتجاهين واسم هذا الدايود هو زينر دايود، وهذه الميزة تجعله يمتلك بالكثير من الخواص والتطبيقات المفيدة في حياتنا.

ما هو دايود الزينر (Zener Diode)

دايود الزينر (بالإنجليزية: Zener Diode) هو نوع خاص من الدايودات مصمم ليعمل في حالة الإنحياز العكسي عندما يكون فرق الجهد المطبق عليه أعلى من جهد معين يُعرف باسم جهد الإنهيار أو جهد الزينر، ويمتاز بثبات فرق الجهد بين طرفيه بالرغم من تغير التيار المار خلاله.

رمز الزينر دايود

رمز دايود زينر مشابه للدايود العادي ولكن بدلاً من الخط المستقيم الذي يمثل الكاثود، يحتوي الزينر على خط منحني يشبه الحرف Z.

تركيب دايود الزينر

يتكون زينر دايود من وصلة ثنائية (PN junction) جزء يحمل شحنات سالبة N والآخر يحمل شحنات موجبة P، مصنوعة من مادة شبه موصله مثل السيلكون أو الجرمانيوم، وبينهما منطقة تسمى بمنطقة الاستنفاد أو النضوب (depletion region)،

وتكون الوصلة الثنائية مطعمة بعناصر شبه موصلة مثل الفسفور والبورون، (مطعمة بمعنى يتم إضافة شوائب للوصلة من مادة أخرى)، وفي حالة الزينر تكون الوصلة الثنائية مطعمة بشكل كثيف أكثر من الدايود العادي، لذلك، تتحمل تيار كهربائي أكثر من الدايود العادي.

طريقة عمل دايود الزينر

كما ذكرت سابقًا يتكون الزينر من وصلة ثنائية موجبة وسالبة، في الجزء الموجب P تكون حاملات الشحنة هي الفجوات (holes)، بينما في الجزء السالب N تكون الإلكترونات هي حاملة الشحنات،

في الحالة الطبيعية تتنافر الفجوات الموجبة مع الإلكترونات السالبة وتتكون منطقة عازلة بينهما تمنع مرور الشحنات،

في حالة الإنحياز الأمامي يكون الطرف الموجب من المصدر متصل بالجزء الموجب للزينر والطرف السالب من المصدر متصل بالجزء السالب للزينر، تتنافر الإلكترونات الموجودة بالجزء السالب مع الطرف السالب للبطارية مما يجبرها على التحرك نحو منطقة الاستنفاد، وبالمثل تتنافر الفجوات مع الطرف الموجب للمصدر مما يجبرها على التحرك نحو منطقة الاستنفاد وبزيادة الجهد تستمر العملية وتتقلص منطقة الاستنفاد وفي النهاية تتلاشى المنطقة العازلة وتصبح موصلة وتسمح بمرور الشحنات (التيار) في الوصلة وبهذا يتم التوصيل. وهذا نفس عمل الدايود العادي

في حالة الإنحياز العكسي يتم توصيل الطرف الموجب للبطارية مع الجزء السالب للزينر، والطرف السالب للمصدر مع الجزء الموجب للزينر،

تنجذب الإلكترونات الموجودة في الجزء السالب من الزينر للطرف الموجب للمصدر وتتحرك نحوه، وبالمثل تنجذب فجوات الجزء الموجب للطرف السالب للمصدر وتتحرك نحوه، ونتيجة لذلك تصبح منطقة الاستنفاد أوسع. وكلما زاد الجهد تزداد المنطقة العازلة (منطقة الاستنفاد) بالإتساع، في هذه الحالة لا يمر أي شحنات في الوصلة ويكون التيار مساوي للصفر تقريبًا.

ولكن عند زيادة الجهد إلى قمية معينة تسمى بجهد الإنهيار أو جهد الزينر (V_Z) يصبح المجال الكهربائي قوي بدرجة كافية لتحرير الإلكترونات من مدارات التكافؤ الخاصة بها وإنشاء تيار.

في هذه الحالة، تحصل حاملات الشحنة الأقلية على طاقة حركية كافية بسبب المجال الكهربائي القوي بعد جهد انهيار عكسي معين. والإلكترونات الحرة لديها طاقة حركية كافية تصطدم مع الأيونات الثابتة في منطقة الاستنفاد وتطلق المزيد من الإلكترونات الحرة. ستتصادم هذه الإلكترونات الحرة الجديدة مع أيونات ثابتة أخرى وتنتج المزيد من الإلكترونات الحرة. هذه العملية تراكمية. وفي وقت قصير ، ستنتج المزيد من الإلكترونات الحرة في منطقة الاستنفاد وتصبح وصلة الزينر موصلة بالكامل.

الجهد الذي يحدث عنده الانهيار (breakdown) يعرف باسم جهد الزينر (zener voltage). بالتحكم بمقدار الشوائب المضافة يمكن ضبط جهد الزينر عند التصنيع.

خصائص الزينر دايود I-V

في حالة الإنحياز الأمامي تكون العلاقة بين فرق الجهد بين طرفي الزdنر دhيود والتيار المار فيه تشبه تلك العلاقة التي للدايود العادي، في البداية يكون التيار صغير جدًا وعند زيادة فرق الجهد أكبر من جهد الدايود (0.7 فولت للجرمانيوم) يصبح الزينر موصل للتيار.

في حالة الإنحياز العكسي يكون التيار صغيرًا جدًا في البداية، هذا التيار بسبب حاملات الشحنة الأقلية. وعندما يزيد فرق الجهد عن جهد الزينر V_z، يحدث انهيار للزينر يسمى بانهيار الزينر ( zener breakdown) ويزداد التيار على الفور ويعمل زينر دايود بدون تلف.

ومهما تغير جهد المصدر يبقى فرق الجهد بين طرفي الزينر دايود ثابتا تقريبًا (ويساوي قيمة V_z)، ما دام التيار المار في الزنر ديود محصورا بين القيمتين القصوى I_Z(max) والصغرى للتيار I_Z(min)

I_Z(min) هي أقل قيمة للتيار يمكن للزينر دايود أن يعمل، على سبيل المثال إذا قمت بتصميم دائرة ما وكان التيار المار فيها أقل من القيمة الصغرى لتيار الزينر فلن يعمل دايود الزينر.

I_Z(max) هي أقصى قيمة مسموح بها للتيار في الزينر اديود وإذا تجاوزها يتلف الزينر، ولذا يجب معرفة كم أكبر كمية من التيار يمكن أن تمر في الدائرة حتى تختار زينر مناسب لا يتلف ويتحمل التيار.

ومما يجب ذكره أن قيمة جهد الزينر V_z تعتمد  على نسبة تركيز الشوائب في البلورة التي يصنع منها الزنر دايود، وكلما كانت نسبة تركيز الشوائب أعلى كلما كانت قيمة الجهد V_z أقل. وبتغيير نسبة تركيز الشوائب في بلورة الزينر دايود يمكن تصنيع دايودات من هذا النوع وبقيم مختلفة للجهد V_z.

يتوفر الزينر بشكل تجاري بجهد انهيار (breakdown voltages) من أقل من 1 فولت إلى أكثر من 250 فولت مع تفاوت (tolerances) من 1٪ إلى 20٪.

الدائرة المكافئة لدايود زينر

يوضح الشكل التالي الدائرة المثالية لدايود زينر في الانهيار العكسي ومنحنى خصائصه المثالية. في هذه الحالة له جهد انهيار ثابت يساوي جهد زينر المقنن. يتم تمثيل هذا الفقد الثابت في الجهد عبر الزينر الناتج عن الانهيار العكسي، بمصدر جهد مستمر.

في الحقيقة دايود الزينر لا يكون بنفس خصائصه المثالية السابقة ويختلف عنها، يظهر في الشكل التالي النموذج العملي لدايود زينر، حيث يتم تضمين مقاومة زينر (Z_z) R_z. نظرًا لأن منحنى الجهد الفعلي ليس ثابتًا كما في الحالة المثالية، لأن التغير في تيار زينر ينتج عنه تغيير طفيف في جهد زينر كما هو موضح في الشكل التالي.

من الأفضل تجنب تشغيل الصمام الثنائي زينر بالقرب من نقطة الانحدار (knee) للمنحنى لأن المقاومة تتغير بشكل كبير في تلك المنطقة.

بالنسبة لمعظم أعمال تحليل الدوائر واستكشاف الأخطاء وإصلاحها، يمكن استخدام النموذج المثالي وإهمال المقاومة ويعطي هذا نتائج جيدة جدًا وهو أسهل بكثير في التحليل من النماذج الأكثر تعقيدًا.

ومما يجب ذكره أيضًا أن قيمة جهد الزينر V_z قد تتغير بتغير درجة حرارة الزنر ديود. ولقياس تأثير تغير درجة الحرارة على تغير قيمة الجهد V_z، فإنه كثيرًا ما يستخدم المعامل الحراري للجهد V_z، والذي يرمز له بالرمز T_c، ويعرف على أنه النسبة بين قيمة التغير النسبي للجهد V_z، وتغير درجة الحرارة.

استخدامات الزينر دايود

• تنظيم الجهد.
• الحماية من زيادة الجهد.
• دوائر التقطيع.

تنظيم الجهد Voltage regulator

الغرض الرئيسي من منظم الجهد هو الحفاظ على جهد ثابت عبر الحمل بغض النظر عن التغير في جهد الدخل وتيار الحمل. في حالات تغير تيار الحمل يمكن استخدام الزينر دايود للحفاظ على جهد خرج (voltage output) ثابت.

يتم توصيل الزينر على التوازي مع الحمل، ويتصل مع المصدر بطريقة الإنحياز العكسي، كاثود الزينر مع الطرف الموجب للبطارية، والأنود مع الطرف السالب.

يبقى جهد الخرج ثابت ومساوي لجهد الزينر بغض النظر عن تغير جهد الدخل (ضمن الحدود)، يحافظ الصمام الثنائي زينر على جهد خرج ثابت تقريبًا عبر أطرافه. ولكن مع تغير جهد الدخل V_IN أو تغير مقاومة الحمل، سيتغير تيار الزينر I_Z لذلك يجب تحديد الحد المسموح لتغير جهد المصدر من خلال قيمة التيار الصغرى والقصوى (I_Zmin و I_Zmax) التي يمكن أن يعمل بها زينر. المقاومة R المتصلة على التوالي تعمل على الحد من قيمة التيار.

مواصفات زينر دايود

تتنوع دايودات زينر في المواصفات مثل جهد التشغيل المقنن، واستهلاك الطاقة، والتيار العكسي الأقصى. تتضمن بعض المواصفات الشائعة الاستخدام لزينر دايود Zenor Diode ما يلي:

• جهد الزينر (Vz): هو جهد الانهيار العكسي، والذي قد يكون من 2.4V إلى حوالي 200V، وقد يصل إلى 1kV بينما يبلغ الحد الأقصى للأنواع (surface mounted device (SMD)) حوالي 47V.
• التيار الأقصى للزينر (I_zmax): هو الحد الأقصى للتيار عند جهد الزينر المقن Vz وقيمته من 200 ميكرو أمبير إلى 200 أمبير.
• التيار الأصغر للزينر (I_zmin): هو الحد الأدنى للتيار اللازم ليعمل الزينر يكون حوالي 5 مللي أمبير إلى 10 مللي أمبير.
• القدرة المقننة (Power rating): هي القدرة الضائعة القصوى التي يمكن أن يستهلكها الزينر، ويمكن الحصول عليها من خلال ضرب الجهد عبر الزينر في التيار المار عبره. بعض قيم القدرة للزينر هي 400mW ،500mW ،1W ،5W.
• تفاوت الجهد (voltage tolerance): هو نسبة اختلاف قيمة الجهد عن قيمة الجهد المصمم عليها، وعادة ما يكون ± 5٪.
• استقرار درجة الحرارة (Temperature Stability): وتكون حوالي 5V.
• مقاومة الزينر (Zener resistance Rz): للزينر مقاومة داخلية صغيرة يتم حسابها من خصائص التيار والجهد (I-V characteristic).

مزايا زينر دايود

يستخدم Zener diode في العديد من التطبيقات بسبب ميزاته. فيما يلي مزاياها:

• يمكن استخدامه لتنظيم واستقرار الجهد في الدائرة بسهولة.
• أقل تكلفة من الدايودات الأخرى.
• يمكن استخدامه في الدوائر الصغرى التي لا يمكن استخدام منظمات الجهد الأكبر معها.
• متوافق مع معظم الأنظمة نظرًا لتكلفته المنخفضة وإمكانية التحكم فيه.

الفرق بين دايود زينر والدايود العادي

الدايود العادي هو جهاز شبه موصل يعمل في اتجاه واحد فقط، بينما الزينر دايود هو جهاز شبه موصل يعمل في الإتجاهين الأمامي والعكسي. سيتلف الدايود العادي إذا تم تشغيله في الانحياز العكسي. وبالتالي، يعتبر الدايود العادي جهازًا أحادي الاتجاه. على العكس من ذلك تم تصميم الزينر دايود بطريقة تمكنه من العمل في وضع الانحياز العكسي دون أن يتلف.

أيضًا تختلف كمية الشوائب المضافة بينهما، تكون كمية الشوائب في الدايود العادي متوسطة بينما يتم إضافة الشوائب بكمية كبيرة لدايود الزينر.