Diode Zener là gì?

Diode Zener là linh kiện bán dẫn cho phép dòng điện đi qua theo hai chiều - ngược hoặc xuôi. Diode Zener bao gồm một tiếp giáp P-N được pha tạp nhiều, được thiết kế để dẫn điện ở chế độ phân cực ngược khi một ngưỡng điện áp cụ thể đã được đáp ứng.

Ảnh thực tế của một diode Zener.

Diode Zener có vùng điện áp đánh thủng khi hoạt động ở chế độ phân cực ngược. Khi điện áp phân cực ngược trên diode Zener bằng với điện áp đánh thủng, nó bắt đầu dẫn dòng điện và tiếp tục hoạt động không ngừng theo hướng phân cực ngược. Một trong những lợi ích chính của diode Zener là khi phân cực ngược thì nó sẽ ghim một mức điện áp gần cố định bằng giá trị ghi trên diode, làm ổn áp cho mạch điện.

Cấu trúc của một diode Zener và ký hiệu của nó trong bản vẽ mạch điện.

Nguyên lý hoạt động của diode Zener

Khi được phân cực thuận, diode Zener hoạt động giống như một diode thông thường với điện áp 2 đầu là 0.3 hoặc 0.7V. Khi được phân cực nghịch, lúc đầu chỉ có dòng điện thật nhỏ qua diode. Nhưng nếu điện áp nghịch tăng đến một giá trị thích ứng: Vngược = Vz (Vz: điện áp Zener) thì dòng qua diode tăng mạnh, nhưng hiệu điện thế giữa hai đầu diode hầu như không thay đổi, gọi là hiệu thế Zener. Hầu hết thì điện áp này sẽ không thay đổi ngay cả đối với những thay đổi lớn của dòng điện cung cấp vào diode zener vẫn nằm ở giữa dòng điện nhỏ nhất Iz(min) và dòng điện tối đa Iz(max).

Đặc tuyến V-A của một diode Zener 3.3V.

Vì tính chất đặc trưng này của diode Zener, chúng thường được sử dụng trong các mạch ứng dụng ổn định điện áp.

Các thông số của diode Zener

Điện áp Zener: còn gọi là điện áp đánh thủng, là điện áp ổn định của diode Zener khi bị phân cực ngược, thường là từ 2.4V đến 200V tùy loại.
Dòng điện lớn nhất (Izmax): Dòng điện định mức tối đa cho phép (thường là từ 200uA ~ 200A). Khi tính toán chọn dòng thực tế bằng 1/5 dòng danh định để thiết bị hoạt động tốt. Ví dụ Diode Zener đó cho dòng 200mA, ta chỉ nên thiết kế mạch với dòng 40mA là được.
Dòng điện nhỏ nhất (Izmin): Dòng điện tối thiểu để diode bị đánh thủng. Thường là 5mA – 10mA.
Công suất tối đa: Công suất tối đa mà diode Zener tiêu thụ. Các giá trị thường gặp là 400mW, 500mW, 1W và 5W. Đối với diode Zener loại linh kiện dán thường là 200mW, 350mW, 500mW và 1W.
Sai số điện áp: thường là khoảng ±5%.
Độ ổn định dưới nhiệt độ: diode Zener 5V thường ổn định dưới sự thay đổi của nhiệt độ nhất, khi nhiệt độ tăng, diode dưới 5V sẽ bị giảm điện áp, còn diode trên 5V sẽ tăng điện áp.
Trở kháng của diode Zener.

Các loại điện áp Zener phổ biến

Diode Zener được sản xuất theo xếp hạng điện áp tiêu chuẩn được liệt kê trong Bảng dưới đây. Bảng “Điện áp diode Zener phổ biến” liệt kê các điện áp phổ biến cho các loại Diode Zener công suất 0,3W và 1,3W. Công suất tương ứng với khuôn và kích thước gói và là công suất mà diode có thể tiêu hao mà không bị hỏng.

Công suất: 0.5W
2.7V	3.0V	3.3V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V
5.1V	5.6V	6.2V	6.8V	7.5V	8.2V	9.1V
10V	11V	12V	13V	15V	16V	18V
20V	24V	27V	30V
Công suất 1.3W
4.7V	5.1V	5.6V	6.2V	6.8V	7.5V	8.2V
9.1V	10V	11V	12V	13V	15V	16V
18V	20V	22V	24V	27V	30V	33V
36V	39V	43V	47V	51V	56V	62V
68V	75V	100V	200V

Ứng dụng của diode Zener

Diode Zener được sử dụng nhiều trong các mạch điều chỉnh điện áp và trong các ứng dụng chuyển mạch và mạch clipper.

Bộ điều chỉnh điện áp: Điện áp của tải bằng điện áp đánh thủng Vz của diode, điện trở nối tiếp sẽ có nhiệm vụ giới hạn dòng điện qua diode và giảm điện áp dư thừa khi diode dẫn. Lúc này điện áp đầu ra sẽ ổn định hơn.
Diode Zener trong mạch bảo vệ quá áp: Nếu trường hợp điện áp đầu vào tăng lên một giá trị cao hơn điện áp đánh thủng của Zener, dòng điện sẽ chạy của diode và tạo ra sụt áp trên điện trở, điều này sẽ kích hoạt SCR và tạo ra một mạch ngắn xuống đất. Mạch sẽ mở cầu chì và ngắt kết nối tải với nguồn cung cấp.
Mạch cắt sử dụng diode Zener: Diode Zener được sử dụng để giúp sửa đổi và định hình các mạch cắt dạng sóng AC. Mạch có tác dụng giới hạn hoặc cắt bỏ các phần của một hoặc cả 2 nửa chu kỳ của dạng sóng AC để định hình hoặc bảo vệ.