ترانزستورات ج5 ثنائي زينر

تعرفنا في المقالات السابقة على الثنائيات أو ما يسمى بالديودات، كما تعرفنا على تيار الانحياز العكسي الذي يسبب انحيازاً عكسياً أو انهياراً مبكراً عند تطبيق جهد عكسي مرتفع على الثنائي، لكن لم يتم توضيح تطبيقات مفيدة لهذا الجهد..

سنتحدث في مقال اليوم عن أحد التطبيقات المهمة التي تستفيد من حالة الانهيار عند تطبيق جهد عكسي على الثنائي فيما يعرف باسم ثنائي زنر..

متابعة مفيدة وممتعة ..

تشبه ثنائيات الانهيار Breakdown Diodes والمعروفة باسم ثنائيات زينر Zener Diodes ثنائيات الوصلة (PN) السيليكونية، ولكنها مصممة خصيصاً ليكون جهدها العكسي محدد مسبقاً، حيث يعد جهد الانهيار الكبير ميزة لهذه الثنائيات التي تعتبر من أبسط منظمات الجهد.

يسمى الجهد عند النقطة التي ينهار فيها ثنائي زينر أو يصبح عندها مادة ناقلة بجهد زينر VZ، وعند عمل هذه الثنائيات نلاحظ حالتين:

• حالة الانحياز الأمامي: يعمل ثنائي زينر كالثنائي العادي، الذي يمرر تياراً اسمياً محدداً rated current.

• حالة الانحياز العكسي: عند تطبيق جهد عكسي على الثنائي، بحيث يكون هذا الجهد أكبر من الجهد الاسمي للجهاز rated voltage، ستنهارالثنائيات عند نقطة معينة على شكل انهيار متتابع Avalanche Breakdown، حيث يحدث هذا الانهيار في منطقة النضوب depletion layer لأنصاف النواقل حيث تتسارع بعض حاملات الشحنة المولدة حرارياً (جزء من تيار الإشباع العكسي) بتأثير الحقل الكهربائي وتكتسب طاقة كبيرة، وعند اصطدامها بذرات نصف الناقل تكسر الروابط التساهمية فتتولد أزواج جديدة من الالكترونات الحرة والثقوب يمكن أن تتسارع بتأثير الحقل الكهربائي، وعند اصطدامها بذرات أخرى لنصف الناقل تولد أزواجاً أخرى من الالكترونات الحرة والثقوب، وتتكرر هذه العملية التتابعية أو التراكمية مسببة مرور تيار عكسي كبير.

يزداد التيار المتدفق عبر الثنائي بشكل ملحوظ حتى يصل إلى القيمة الأعظمية للدارة (التي تكون عادة مربوطة بمقاومة تسلسلية)، وعند حصول هذا: يبقى تيار الإشباع العكسي ثابتاً ضمن مجال واسع من التوترات المُطبقة، وتسمى النقطة التي يصبح فيها الجهد عبر الثنائي ثابتاً ومستقراً باسم جهد زينر، حيث يمكن أن يتراوح هذا الجهد بين أقل من واحد إلى عدة مئات من الفولت.

يمكن التحكم بشكل دقيق (بنسبة تساهل 1%) بالنقطة التي يسبب فيها جهد زينر تدفق التيار وذلك خلال عملية إشابة نصف الناقل المشكل للثنائيات، حيث يتم إعطاء قيمة محددة لجهد انهيار زينر مثل 4.3 volt أو 7.5 volts ...

تتأثر خواص مميزات زينر بدرجة الحرارة، لكن يمكن القول أن ثنائي زينر يملك جهد انهيار على شكل مستقيم تقريباً في منحني الميزة (I-V)

منحني الخواص (I-V) لثنائي زينر:

الشكل 1: منحني خواص I-V لثنائي زينر

يستخدم ثنائي زينر في حالة الانحياز العكسي حيث يتم وصل المصعد منبع التغذية السالب، نلاحظ من منحني الخواص ما يلي:

• يملك ثنائي زينر في منحني الخواص منطقة تسمى منطقة الانحياز العكسي يكون فيها الجهد ثابتاً تقريباً وذو قيمة سالبة وذلك مهما نقصت قيمة التيار المار عبر الثنائي، وحتى لو كانت التغيرات كبيرة حيث تكون هذه التغيرات ضمن قيمتين هما: تيار الانهيار الأصغري IZ(min)، والتيار الاسمي الأعظمي IZ(max).

• يستفاد من قدرة ثنائي زينر على التحكم ذاتياً في تنظيم أو تثبيت جهد مصدر الجهد عند حدوث اهتزاز وعدم استقرار لجهد الحمل أو جهد منبع التغذية، حيث يستخدم الجهد المطبق على الثنائي في منطقة الانهيار والذي يكون ثابتاً تقريباً في عدة تطبيقات منها منظمات الجهد، حيث تكون وظيفة المُنَظِم تزويد الحمل الموصول معه على التوازي بالتيار الكهربائي المستمر، حيث يستمر ثنائي زينر بتنظيم التوتر (تثبيت قيمته في الخرج) على الرغم من تغير جهد المنبع (جهد الدخل) أو حصول عدم استقرار لتيار الحمل، حيث يستمر ثنائي زينر في العمل بصورة صحيحة حتى يصل التيار في منطقة الانهيار العكسي إلى قيمة أقل من قيمة التيار الأصغري IZ(min).

استخدام ثنائي زينر كمُنَظِم:

يمكن استخدام ثنائيات زينر لإعطاء جهد خرج ثابت ذو اهتزاز (تأرجح) صغير وذلك عند قيم متغيرة لتيار الحمل وذلك بتمرير تيار صغير من مصدر التغذية عبر الثنائي، ومن خلال ربط مقاومة تسلسلية RS ذات قيمة مناسبة لتحديد التيار، سينقل الثنائي تياراً كافياً لإيقاف تناقص جهد الخرج VOut.

يتضمن جهد الخرج المستمر الناتج عن مضخمات الموجة الكاملة أو أنصاف الموجة تأرجحاً يتواجد ضمن الجهد المستمر وذلك عند تغير قيم الحمل مما يجعلنا نأخذ القيم الوسطية للتوتر، ولكن يمكن توليد جهد خرج أكثر ثباتاً عند توصيل دارة تثبيت زينر بسيطة عند خرج المُضَخِم (كما هو موضح في الدارة).

الشكل 2: دارة تنظيم الجهد باستخدام ثنائي زينر

رابط الصورة الأصلية:

هنا

رابط الصورة المعدلة:

هنا

يتم وصل المقاومة RS على التسلسل بين ثنائي زينر ومنبع التغذية حيث تقوم بالحد من مرور التيار عبر الثنائي، أما جهد الخرج الثابت فيؤخذ من طرفي الثنائي، وبما أن الثنائي موصل عبر مهبطه مع النهاية الموجبة لمنبع الجهد فسينحاز عكسياً وسيعمل عند ظروف الانهيار الخاص به.

سنناقش حالتين:

1- حالة عدم وجود حمل (اللاحمل):

• يكون تيار الحمل معدوماً ( IL = 0 ) ويمر كامل تيار الدارة عبر ثنائي زينر الذي سيبدد في المقابل طاقة عظمى.

• تسبب المقاومة التسلسلية RS مهما كانت صغيرة زيادة في تيار الثنائي عند وصل مقاومة الحمل RL ذات القيمة الكبيرة، كما سيزداد تبديد الطاقة في الثنائي لذلك يجب الانتباه عند اختيار قيم المقاومة التسلسلية بحيث لا تتجاوز الاستطاعة الافتراضية للثنائي عند التشغيل بدون حمل.

2- حالة التحميل:

• عند وصل حمل مقاومة RL على التوازي مع ثنائي زينر سيكون الجهد المطبق على الحمل مساوياً لجهد زينر (VR = VZ)

• يمر تيار صغير في الثنائي عند حالة الاستقرار الفعلي للجهد ويجب لهذا التيار أن يبقى بشكل دائم أعلى من قيمة العمل تلك عند وصل الحمل في حالة الانحياز العكسي.

• تعتمد قيمة التيار العظمى على قيمة الاستطاعة الافتراضية للجهاز.

• يجب أن يكون جهد منبع التغذية VS أكبر من جهد زينر VZ.

تملك دارات تثبيت الجهد التي تستخدم ثنائي زينر مشكلة صغيرة، حيث يتولد ضجيج كهربائي (تشويش) في أعلى موجة منبع التغذية عند القيام بتثبيت الجهد، ولا يسبب هذا الأمر عادةً مشكلة لمعظم التطبيقات، ولكن وصل مكثف فصل ذو قيمة كبيرة على خرج الثنائي سيتطلب ربما زيادة في تنعيم الإشارة الصادرة.

مثال:

باستخدام دارة مُنَظِم زينر (التي تم توضيحها في الشكل 2)،

إذا كان جهد الخرج المستقر / volt 5 / من دخل جهد مستمر / 12 volt /، وكان معدل الاستطاعة العظمى للثنائي / PZ = 2 Watt /، لنحسب مايلي:

حل المثال:

الحصول على عدة جهود خرج في دارة ثنائي زينر:

يستطيع ثنائي زينر توليد إشارة وحيدة مستقرة من الجهد كهربائي، فعند ربط عدة ثنائيات زينر معاً على التسلسل وبينها ثنائي سيليكوني فإنها تستطيع إعطاء قيم مختلفة لجهود الخرج المرجعية كما هو مبين في الشكل:

الشكل 3: وصل ثنائيات زينر على التسلسل

يمكن اختيار قيم جهود ثنائيات زينر المفردة لتلائم التطبيق المراد استخدامه، أما الثنائي السيليكون فيجب أن يتراوح جهده بين (0.6 ~ 0.7) فولت في وضع الانحياز الأمامي.

يجب أن يكون جهد الدخل (جهد المنبع Vin) أعلى من أكبر قيمة جهد خرج مرجعي (في الدارة السابقة 19 volt).

دارات التقطيع باستخدام ثنائي زينر:

تحدثنا حتى الآن عن استخدام ثنائي زينر كمنظم جهد لمنابع التغذية المستمرة، ولكن إذا كانت إشارة الدخل(المنبع) عبارة عن موجة متناوبة غير ثابتة، فكيف سيعمل ثنائي زينر عند هذا التغير المستمر للإشارة؟

يتم في هذه الحالة استخدام دارات الثنائيات المستخدمة للقص والتحديد clipping and clamping circuits وهي دارات تستخدم لتشكيل أو تعديل موجة الدخل المتناوبة أو أي موجة جيبيه، معطيةً موجة خرج ذات شكل مختلف تبعاً لترتيب الدارات، يطلق على هذه الدارات أيضاً اسم المُحَدِدات لأنها تحدد أو تقطع جزءاً موجباً او سالباً من إشارة الدخل المتناوبة المارة عبرها.

مثال:

نستخدم ثنائي زينر ذو جهد (7.5 v) لتقطيع موجة الخرج عند جهد (7.5 v)، فعند محاولة موجة الخرج أن تتجاوز هذه القيمة سيقتطع الثنائي الزيادة من موجة الدخل ليعطي موجة خرج ذات قيمة أعظيمة ثابتة عند (7.5 v).

وسنلاحظ حالتين هنا:

1- في حالة الانحياز الأمامي: يسلك ثنائي زينر سلوك ثنائي عادي (ديود).

2- عندما تصبح موجة الجهد سالبة وتتناقص لأقل من (- 0.7 v)، ينتقل ثنائي زينر لحالة العمل ويقطع موجة الخرج ويثبتها عند القيمة (- 0.7 v) كما هو موضح بالشكل:

الشكل 4: استخدام ثنائي زينر في تشكيل الموجة المربعة

إن وصل ثنائيات زينر بطريقة back to back لتشكيل منظم تيار متناوب يمكننا من تقطيع الموجة بين قيمتين للجهد (متساويتان بالقيمة متعاكستان بالإشارة) مثل: (- 8.2 , +8.2) وذلك عند استخدام ثنائي زينر ذو جهد7,5 فولت مما يعطي شكل إشارة خرج مربعة تقريباً، أما إذا أردنا تقطيع موجة إشارة الخرج بين قيمتين مختلفتين للجهد أحدهما أعظمية والأخرى أصغرية مثل ( -6 , +8) فولط، فنقوم بتوصيل ثنائيي زينر مختلفين بالجهد، وعند هذه الحالة سنلاحظ أن موجة الخرج المتناوبة ستكون بين قيمتين ( -6.7 , + 8.7) فولط، وذلك بسبب إضافة جهد الانحياز الأمامي لثنائي زينر.

أي أن الجهد الناتج من القمة للقمة (peak-to-peak) سيكون 15.4 فولط بدلاً من 14 فولط، حيث تتم إضافة 0.7 فولط في كل اتجاه، وهي قيمة جهد الانحياز الأمامي للثنائي.

هذا النوع من المقطعات شائع الاستخدام من أجل حماية الدارة الإلكترونية من زيادة التوتر، حيث يتم وصل ثنائيي زينر بين طرفي الدخل لمنبع التغذية، وهنا نميز حالتين:

1- حالة العمل الطبيعي (الجهد ضمن مجال القيم المسموح بها): يكون أحد الثنائيين في وضعية التوقف عن العمل، ويكون أثر هذين الثنائيين صغيراً جداً أو معدوماً.

2- عند تجاوز موجة جهد الدخل للقيم المسموح بها: سينتقل الثنائيان للعمل ويقومان بقطع موجة الدخل لحماية الدارة.

المراجع:

هنا

مراجع الصور:

هنا

هنا

هنا

هنا