شرح ثنائي زينر / ديود زينر
ما هو الثنائي زينر؟
يعرف الثنائي زينر أو الدايود زينر على أنه ثنائي مختلف التصميم، فهو
نوع خاص بالثنائيات، له قيمة جهد ثابتة تسمى جهد زينر، ويسمح بمرور التيار
الكهربائي بالاتجاه المعاكس وذلك عندما تتعدى قيمة فرق الجهد على أطرافه جهد زينر
المحدد. والشكل التالي يوضح رمز ثنائي زينر Zener Symbol
وشكله الحقيقي True Shape:
مم يتكون الثنائي زينر وكيف يتم توصيله في الدارات الكهربائية؟
يتكون الثنائي زينر كباقي الثنائيات من شريحتين، الشريح السالبة (N) والشريحة الموجبة (P) لكن مع فرق وحيد وهو أن الطرف السالب (N)
عبارة عن مساحة صغيرة نسبيا موضوعة على الشريحة الموجبة (P).
أما طريقة التوصيل، فيتم توصيل ثنائي زينر بوضع الانحياز العكسي
ليتلاءم مع تركيبه ووظيفته الأساسية كما في الشكل التالي:
ما هي استخدامات واستعمالات الثنائي زينر؟
1- يستخدم دايود زينر في دوائر تنظيم فرق الجهد (تقسيم الفولتية) في
الدارات الإلكترونية.
2- حماية القطع الالكترونية من التلف الكهربائي.
3- يتواجد في معظم الدارات الالكترونية لحماية وتنظيم أجزائها
الداخلية.
فضلاً عن النقاط السابقة، وإنتاج مخرج واحد ثابت للجهد، يمكن توصيل
ثنائيات الزينر معاً في على التوالي مع ثنائيات عادية مكونة من السيليكون Si أو الجيرمانيوم Ge لإنتاج مجموعة متنوعة من قيم خرج الجهد
المرجعي
المختلفة كما هو موضح
في الشكل أدناه:
كما ترى في الشكل السابق، فيمكن اختيار قيم ثنائيات زينر الفردية
لتلائم فرق الجهد المطلوب الحصول عليه بشكل دقيق. أما دايود السليكون، فهو كما
نعلم يستهلك عددا من الفولتات بمقدار حوالي 0.6 - 0.7 فولت في حالة التحيز للأمام
أو ما يعرف بالانحياز الأمامي. أما الجهد الأصلي المغذي للدارة كافة والذي سوف
يتجزأ الى فولتات متعدد أقل منه بالمقدار، فيطلق عليه جهد التوريد، وبالطبع يجب أن
يكون جهد التوريد أعلى من الجهد المرجعي الناتج، وفي مثالنا أعلاه يكون جهد
التوريد هو 19 فولت.
كيف تتحدد فولتية الثنائي زينر (فولتية زينر)؟
1- يتم تحديد مقدار فولتية الزينر أو (جهد زينر) من خلال مساحة وسمك
تلك النقطة (الشريحة N)
الموجودة على الشريحة P
والتي تكون في العادة مرفقة مع دليل المستخدم.
2- وأيضا، هناك ثنائيات زينرية (زينرات) ملونه يمثل كل لون قيمة جهد
الزينر الخاص بها.
3- أما الصمام الثنائي الزينري (ثنائي زينر) النموذجي Typical Zener Diode للدوائر الإلكترونية العامة هو الذي يعمل
بقدرة مقدارها 500
mW،
ذات السلسلة
BZX55 أو الذي
يعمل بقدرة مقدارها 1.3
Watt
ذات السلسلة BZX85. فعلى سبيل المثال، ثنائي
زينر من النوع C7V5 لفرق جهد 7.5 فولت، يعطى
رقماً مرجعيا متسلسلا هكذا BZX55C7V5.
تتوفر الزنرات (الثنائيات الزينرية) والتي تعمل بقدرة مقدارها 500 mW من 2.4 وحتى 100 فولت،
وعادةً ما يكون لها نفس تسلسل القيم المستخدمة لسلسلة المقاومات من التصنيف 5% (E24). الجدول أدناه يوضح
الفولتية المرتبطة بالثنائيين الزنريين ذات القدرتين 500 mW و 1.3 Watt:
|
ثنائي الزينر BZX55 ذات القدرة 500 mW
|
|||||||
|
2.4V
|
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
|
22V
|
|
24V
|
27V
|
30V
|
33V
|
36V
|
39V
|
43V
|
47V
|
|
ثنائي الزينر BZX85 ذات القدرة 1.3 Watt
|
|||||||
|
3.3V
|
3.6V
|
3.9V
|
4.3V
|
4.7V
|
5.1V
|
5.6
|
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
|
ما الفرق بين الثنائي زينر والثنائي العادي؟
الجدول التالي يوضح أهم الفروق بين الثنائي زينر والدايود العادي
|
أوجه المقارنة
|
ثنائي زينر
|
الثنائي العادي
|
|
اتجاه التيار
|
انحياز عكسي
|
انحياز أمامي أو عكسي بحسب الوظيفة
|
|
وجود مقاومة
|
ملزم وجود مقاومة
|
غير ملزم (حسب وضع الدارة)
|
|
الفولتية المستهلكة
|
متغيرة وتتراوح
|
ثابتة وهي 0.7 فولت للسيليكون و 0.3 فولت
للجرمانيوم
|
|
الشريحة المستخدمة
|
الطرف السالب (N) عبارة عن مساحة صغيرة نسبيا موضوعة على
الشريحة الموجبة (P).
|
شريحتين N و P
متساويتان في المساحة
|
|
مقدار التشويش Noise
|
تشويش عل مصدر ال DC
|
لا يوجد
|
|
الرمز في الدارات الكهربائية
|
 |
 |
|
أهم التطبيقات
|
used in voltage regulator
|
rectifiers, clippers, clampers
|
كيف يتم حساب كمية الجهد الخارجة من ثنائي زينر؟
يتم حساب كمية الجهد الخارجة من الدايود زينر والتي تساوي مقدار الجهد
الكلي المغذي للثنائي مطروحا منه جهد زينر. فمثلا، إذا كان الجهد الذي يغذي ثنائي
زينر مساويا لـ 9 فولت، وجهد زينر العكسي مساويا لـ 4.6 فولت، فسيكون الجهد الخارج
من زينر هو 9 ــ 4.6 = 4.4 فولتا.
كيف يتم حساب كمية استهلاك ثنائي زينر للطاقة الكهربائية؟
لحساب كمية الطاقة الكهربائية المستهلكة، والتي تساوي القدرة X الزمن يلزم فقط معرفة مقدار جهد زينر وكمية
التيار المارة فيه. أي الطاقة المستهلكة من دايود زينر= جهد زينر X التيار المار X زمن التشغيل.
ما هو جهد انهيار زينر Zener Breakdown Voltage؟
تبقى الفولتية ثابتة على مهبط الزينر في وضع الانحياز العكسي طوال
الوقت إلا إذا انهار دايود زينر. فلكل ثنائي من نوع زينر جهد انهيار خاص به. أما
في حال تعدي جهد الانهيار الخاص بالثنائي زينر، فيصبح هذا الثنائي إما دارة قصر
(تقصير) Short أو يعمل كمقاومة مقدارها
(لا نهائي) Infinity
Ohms أي مقاومة قطع (قاطع للتيار).
ملاحظة: يتم ربط ثنائي زينر بمقاومة بوضعية التوالي وذلك لحمايته من
التلف من التيار الكهربائي العالي الزائد.
ما هي تطبيقات ثنائي الزينر والمقاومة المربوطة معه في الدارات الالكترونية؟
قد تتساءل كيف يعمل ثنائي زينر في
الدارات الكهربائية، لكن، وكما تم ذكره من قبل، فإنه يتم توصيل المقاومة المسماة RS
في الشكل الأسفل على التوالي مع ديود زينر للحد من تدفق التيار
الكهربائي المار في ثنائي الزينر والذي يتم تغذيته بالكهرباء من مصدر الجهد VS حسب الدارة التالية:
يتم توصيل الحمل بالتوازي مع الصمام الثنائي زينر، وبالتالي فإن الجهد
عبر RL هو نفسه دائما مثل جهد
الزينر أي (VR = VZ). هناك حد أدنى لتيار
الزينر الذي يكون استقرار الجهد فيه فعالاً، لذلك، يجب أن يظل تيار الزينر متعديا
فوق هذه القيمة. أما الحد الأعلى من التيار فيعتمد بالطبع على تصنيف الطاقة للجهاز
Power Consumption. أيضا يجب على جهد العرض VS
أن يكون أكبر من جهد الزينر VZ.
ما هي عيوب الثنائي زينر؟
إحدى المشاكل الصغيرة مع منظمات دارات ثنائيات زينر Zener Diode Stabilizer Circuits هي أن الصمام الثنائي
الزينري يمكن أن يولد أحياناً إشارات ضوضاء كهربية Electrical Noise تؤثر على وحدة تزويد التيار المستمر DC Supply والتي تحاول بدورها تثبيت الجهد الخارج منها
بصورة منتظمة. في العادة ليس هنالك مشكلة بالنسبة لمعظم التطبيقات الالكترونية
ولكن قد تكون هناك حاجة إلى إضافة مكثف فصل Decoupling Capacitor كبير القيمة عن الخرج Vout للزينر لإضفاء المزيد من التسوية أو الفلترة
Smoothing.