Spis treści:
Dioda Zenera to ważny komponent elektroniki montażowej, bez którego czasami wprost nie można się obejść. Pozornie konwencjonalna, zwyczajna dioda ze złączem PN, ale o ciekawych funkcjach. To element projektów w warsztacie elektronika i nie tylko, który zwyczajnie wypada znać. Przyjrzyjmy się zatem dokładniej diodzie Zenera.
Co to jest dioda Zenera?
Dioda Zenera to krzemowe urządzenie półprzewodnikowe, które pozwala na przepływ prądu w dwóch kierunkach („do przodu” i „do tyłu”). Bywa także określana, choć dość rzadko, jako stabilistor. Diody Zenera składają się ze specjalnego, silnie domieszkowanego złącza p-n zaprojektowanego tak, aby przewodzić w kierunku odwrotnym po osiągnięciu określonego napięcia. W przeciwieństwie do konwencjonalnej diody, która blokuje przepływ jakiegokolwiek prądu w polaryzacji zaporowej (gdy potencjał katody jest wyższy niż anody), dioda Zenera zaczyna przewodzić w kierunku zaporowym, kiedy wartość tego napięcia przekroczy określony próg.
Działanie diody Zenera
Konwencjonalne diody blokują przepływ prądu, gdy potencjał katody przekracza potencjał anody, czyli w polaryzacji zaporowej. Dioda Zenera przewodzi prąd bez ulegania uszkodzeniu w kierunku zaporowym, kiedy wartość napięcia przekroczy próg. Dodatkowo spadek napięcia na diodzie pozostaje stały w szerokim zakresie napięć i to właśnie sprawia, że diody Zenera mogą być stosowane w regulacji napięcia.
Wiele zależy zatem od kierunku przewodzenia – i tutaj kryje się sedno sposobu działania diody Zenera. Gdy anoda jest spolaryzowana dodatnio względem katody, to dioda Zenera działa zupełnie jak diody konwencjonalne. Gdy natomiast jest odwrotnie, czyli katoda jest spolaryzowana dodatnio względem anody i mamy do czynienia z polaryzacją zaporową, to dioda Zenera może przewodzić prąd po przekroczeniu danego napięcia. Jej najważniejszy parametr to zatem wytrzymałość dielektryczna – napięcie przebicia. W zakresie napięcia 5-7 V występuje pewna fuzja – zjawisko Zenera oraz przebicie lawinowe, a przy napięciu wyższym niż 7 V tylko przebicie lawinowe.
Zjawisko Zenera i przebicie lawinowe
Nietrudno się domyślić, że w elektronice efekt Zenera (odkryty w 1934 roku przez Clarence’a Melvina Zenera) jest opisywany głównie w kontekście diody z dzisiejszego artykułu. Występuje on w silnie domieszkowanych złączach p-n spolaryzowanych zaporowo (reverse bias). Dotyczy napięcia przebicia. Pod wpływem wysokiego napięcia wstecznego region zubożenia złącza p-n rozszerza się, co prowadzi do powstania silnego pola elektrycznego w złączu. Te wystarczająco silne pola elektryczne umożliwiają tunelowanie elektronów przez region zubożenia półprzewodnika, co powoduje powstanie licznych wolnych nośników ładunku. Nagła generacja nośników gwałtownie zwiększa prąd wsteczny i daje początek wysokiej przewodności diody Zenera.
Przebicie lawinowe
Nieco inaczej ma się sprawa z przebiciem lawinowym. Efekt Zenera i efekt przebicia lawinowego mogą występować zarówno jednocześnie, jak i niezależnie od siebie. Efekt lawinowy może wystąpić w materiałach izolacyjnych i półprzewodzących. Jest to forma zwielokrotnienia prądu elektrycznego, pozwalająca na przepływ bardzo dużych prądów w materiałach, które w innym przypadku są dobrymi izolatorami. Jest to rodzaj lawiny elektronowej.
Materiały przewodzą prąd elektryczny, jeśli zawierają ruchome nośniki ładunku. W półprzewodniku występują dwa rodzaje nośników ładunku: swobodne elektrony (ruchome elektrony) i dziury elektronowe (ruchome dziury, którym brakuje elektronów w normalnie zajętych stanach elektronowych). Normalnie związany elektron, na przykład w wiązaniu, w diodzie o odwróconym układzie stronniczym może się oderwać w wyniku fluktuacji termicznej lub wzbudzenia. Stworzy wówczas ruchomą parę elektron-dziura. Jeśli w półprzewodniku występuje pole elektryczne, to elektron będzie się poruszał w kierunku napięcia dodatniego, natomiast dziura w kierunku napięcia ujemnego. Zazwyczaj elektron i dziura po prostu przemieszczają się na przeciwległe końce kryształu i wchodzą do odpowiednich elektrod.
Kiedy pole elektryczne jest wystarczająco silne, ruchomy elektron lub dziura mogą przyspieszyć do wystarczająco dużych prędkości, aby wybić inne związane elektrony, tworząc więcej wolnych nośników ładunku, zwiększając prąd i prowadząc do dalszych procesów „wybijania”. No i mamy lawinę!
Przykładowe zastosowanie diody Zenera
Ze względu na opisane właściwości diody Zenera nadają się jako regulatory napięcia, źródło napięcia odniesienia w stabilizatorach (napięcie referencyjne), tłumiki przepięć oraz w aplikacjach przełączających. Warto jeszcze wspomnieć o działaniu zabezpieczającym diody Zenera – jeśli napięcie wejściowe wzrośnie do wartości wyższej niż napięcie przebicia Zenera, prąd przepływa przez diodę i tworzy spadek napięcia na rezystorze. To wyzwala SCR (krzemowy prostownik sterowany) i tworzy zwarcie do masy. Zwarcie otwiera bezpiecznik, odłącza obciążenie od zasilania i w ten sposób powstaje zabezpieczenie przed przepięciami. Wzrost prądu może być błyskawiczny i gwałtowny, gdy napięcie polaryzujące osiągnie wartość wyższą od charakterystycznej dla złącza, lecz o resztę zadba dioda Zenera i nie ulegnie uszkodzeniu.
Dioda Zenera często gości na warsztatowej płytce podczas prototypowania i projektowania układu. W zastosowaniu praktycznym ważna jest tolerancja napięcia przebicia wynosząca zwykle kilka procent. Przy zakupie należy również zwrócić uwagę na parametry mocy i napięcia diod Zenera, które można znaleźć w wersjach do lutowania powierzchniowego SMD i do lutowania przewlekanego THT. Ciekawostka: można je znaleźć nawet w urządzeniach generujących liczby losowe i kryptografii!
