Thiết kế Mạch ổn áp dùng Diode Zener

Điôt Zener hay còn được gọi là “Điôt Phá vỡ”, về cơ bản giống như điôt tiếp giáp PN tiêu chuẩn ngoại trừ chúng được thiết kế đặc biệt để có điện áp phá vỡ nghịch thấp và xác định, tận dụng bất kỳ điện áp nghịch nào đặt vào nó.

Trong hướng đấu áp thuận, tức là Anôt dương hơn so với Catôt, một điôt Zener hành xử giống như một điôt tiếp giáp bình thường khi điện áp thuận VF qua điôt vượt quá 0,7 vôn (silicon) khiến điôt Zener dẫn điện. Dòng điện thuận chảy qua điôt dẫn đạt giá trị tối đa chỉ được xác định bởi tải nối vào. Do đó, trong hướng đấu áp thuận, Zener hành xử giống như một điôt thông thường trong giới hạn dòng điện và/hoặc công suất xác định và như vậy, đặc tính thuận của điôt Zener thường không được quan tâm.

Tuy nhiên, không giống như điôt thông thường ngăn dòng điện chảy qua khi đấu áp nghịch, tức là Catôt dương hơn Anôt, ngay khi điện áp nghịch đạt đến một giá trị xác định trước, điôt Zener bắt đầu dẫn theo hướng nghịch.

Vì điôt Zener được thiết kế để hoạt động trong vùng phá vỡ nghịch của đường đặc tính, chúng có một điện áp phá vỡ cố định, giá trị VZ được xác định trong quá trình sản xuất. Khi điện áp nghịch qua điôt Zener tăng từ 0 vôn đến điện áp phá vỡ Zener, một dòng điện nghịch nhỏ hoặc dòng rò rỉ sẽ chảy qua điôt và vẫn khá không đổi khi điện áp nghịch tăng.

Một khi điện áp nghịch đặt qua điôt Zener vượt quá điện áp định mức của linh kiện, một quá trình gọi là phá vỡ Zener xảy ra trong lớp tụ điện bán dẫn và dòng điện bắt đầu chảy qua điôt để giới hạn sự gia tăng điện áp này.

Dòng điện hiện đang chảy qua điôt Zener tăng đột ngột đến giá trị tối đa của mạch (thường bị giới hạn bởi một điện trở nối tiếp). Một khi xảy ra phá vỡ Zener, điện áp giữa hai đầu điôt vẫn khá không đổi mặc dù dòng Zener, IZ qua nó có thể thay đổi đáng kể. Điểm điện áp mà điện áp qua điôt Zener trở nên ổn định được gọi là “điện áp Zener”, (VZ). Đối với điôt Zener, giá trị điện áp phá vỡ này có thể từ vài vôn đến vài trăm vôn.

Điểm mà điện áp Zener kích hoạt dòng điện chảy qua điôt có thể được kiểm soát rất chính xác (dung sai dưới 1%) trong giai đoạn đóng mức độ của cấu trúc bán dẫn điôt, đem lại cho điôt một điện áp phá vỡ Zener cụ thể, (VZ) ví dụ, 4,3V hoặc 7,5V. Điện áp phá vỡ Zener này trên đường cong I-V gần như là một đường thẳng đứng.

Đặc tính I-V của Điôt Zener

Điôt Zener được sử dụng trong chế độ “đấu áp nghịch” hoặc phá vỡ nghịch, tức là anôt của điôt nối với nguồn âm. Từ đường đặc tính I-V ở trên, chúng ta có thể thấy điôt Zener có một vùng trong đặc tính đấu áp nghịch của nó với điện áp âm gần như không đổi bất kể giá trị dòng điện chảy qua điôt.

Điện áp này vẫn gần như không đổi ngay cả khi có sự thay đổi lớn về dòng điện miễn là dòng Zener vẫn nằm trong khoảng giữa dòng phá vỡ IZ(min) và dòng điện định mức tối đa IZ(max).

Khả năng tự điều chỉnh của điôt Zener có thể được sử dụng rất hiệu quả để điều chỉnh hoặc ổn định một nguồn điện áp chống lại sự dao động của nguồn cấp hoặc thay đổi tải. Thực tế là điện áp qua điôt trong vùng phá vỡ gần như không đổi trở thành một đặc tính quan trọng của điôt Zener vì nó có thể được sử dụng trong các ứng dụng ổn áp đơn giản nhất.

Chức năng của một ổn áp là cung cấp điện áp đầu ra không đổi cho tải nối song song với nó bất chấp rung trên điện áp nguồn hoặc biến đổi dòng tải. Một điôt Zener sẽ tiếp tục điều chỉnh điện áp của nó cho đến khi dòng giữ của điôt giảm xuống dưới giá trị tối thiểu IZ(min) trong vùng phá vỡ nghịch.

Mạch ổn áp dùng Diode Zener Điôt Zener

Điôt Zener có thể được sử dụng để tạo ra điện áp đầu ra ổn định với rung nhỏ trong điều kiện dòng tải thay đổi. Bằng cách đẩy một dòng điện nhỏ qua điôt từ một nguồn điện áp, thông qua một điện trở hạn chế dòng điện thích hợp (RS), điôt Zener sẽ dẫn đủ dòng để duy trì điện áp giữa hai đầu Vout.

Chúng ta nhớ lại từ các bài học trước rằng điện áp đầu ra một chiều từ mạch chỉnh lưu bán kỳ hoặc toàn kỳ chứa rung xếp chồng lên điện áp một chiều và khi giá trị tải thay đổi thì điện áp đầu ra trung bình cũng thay đổi theo. Bằng cách nối một mạch ổn áp Zener đơn giản như hình dưới qua đầu ra của mạch chỉnh lưu, ta có thể tạo ra điện áp đầu ra ổn định hơn.

Điện trở RS được nối nối tiếp với điôt Zener để giới hạn dòng điện qua điôt với nguồn điện áp VS được nối qua tổ hợp này. Điện áp đầu ra ổn định Vout được lấy từ hai đầu điôt Zener.

Điôt Zener được nối với đầu catôt nối với ray dương của nguồn một chiều nên nó đấu áp nghịch và sẽ hoạt động trong điều kiện phá vỡ. Điện trở RS được chọn để giới hạn dòng điện tối đa trong mạch.

Khi không có tải nối vào mạch, dòng tải sẽ bằng 0, (IL = 0), và toàn bộ dòng điện mạch đi qua điôt Zener làm điôt tỏa nhiệt công suất tối đa.

Ngoài ra, giá trị nhỏ của điện trở nối tiếp RS sẽ dẫn đến dòng điôt lớn hơn khi điện trở tải RL được nối vào và điều này sẽ làm tăng yêu cầu tỏa nhiệt của điôt nên cần thận trọng khi chọn giá trị điện trở nối tiếp phù hợp để công suất tối đa của Zener không bị vượt quá trong điều kiện không tải hoặc trở kháng cao.

Tải được nối song song với điôt Zener, vì vậy điện áp qua RL luôn bằng điện áp Zener, (VR = VZ).

Có một dòng Zener tối thiểu để việc ổn định điện áp có hiệu lực và dòng Zener phải luôn duy trì trên giá trị này khi hoạt động dưới tải trong vùng phá vỡ. Giới hạn trên của dòng tất nhiên phụ thuộc vào công suất định mức của linh kiện. Điện áp nguồn VS phải lớn hơn VZ.

Một vấn đề nhỏ với mạch ổn áp điôt Zener là điôt đôi khi có thể tạo ra nhiễu điện trên nguồn một chiều khi nó cố gắng ổn định điện áp. Thông thường điều này không phải là vấn đề đối với hầu hết các ứng dụng nhưng việc thêm một tụ điện phân cực lớn nối song song với đầu ra của Zener có thể cần thiết để làm trơn thêm.

Tóm lại một chút. Một điôt Zener luôn được vận hành trong điều kiện đấu áp nghịch. Như vậy, một mạch ổn áp đơn giản có thể được thiết kế sử dụng điôt Zener để duy trì điện áp đầu ra một chiều không đổi qua tải bất chấp sự thay đổi của điện áp đầu vào hoặc dòng tải.

Mạch ổn áp điôt Zener bao gồm một điện trở hạn chế dòng RS nối tiếp với điện áp đầu vào VS với điôt Zener được nối song song với tải RL trong điều kiện đấu áp nghịch này. Điện áp đầu ra ổn định luôn được chọn bằng điện áp phá vỡ VZ của điôt.

Ưu điểm chính của ổn áp Zener là đơn giản, chi phí thấp và khả năng ổn định điện áp tốt. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm như hiệu suất thấp do tỏa nhiệt trên điện trở shunt, dòng rò rỉ cao hơn so với các phương pháp ổn áp khác và khả năng ổn định kém ở dòng tải thấp.

Mặc dù vậy, ổn áp Zener vẫn được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử đơn giản và ứng dụng yêu cầu ổn định điện áp tốt với chi phí thấp. Chúng thường được sử dụng để cung cấp điện áp tham chiếu ổn định cho các mạch khác hoặc làm nguồn cấp cho các mạch xung nhỏ.

Ví dụ Hướng dẫn

Một nguồn cấp điện ổn định 5,0V cần được tạo ra từ một nguồn cấp điện 12V một chiều. Công suất định mức tối đa PZ của điôt Zener là 2W. Sử dụng mạch ổn áp Zener ở trên, hãy tính toán:

a). Dòng điện tối đa chảy qua điôt Zener.

b). Giá trị tối thiểu của điện trở nối tiếp, RS

c). Dòng tải IL nếu một điện trở tải 1kΩ được nối song song với điôt Zener.

d). Dòng Zener IZ ở tải đầy đủ.

Điện áp Điôt Zener

Ngoài việc tạo ra một điện áp đầu ra ổn định đơn lẻ, các điôt Zener cũng có thể được nối tiếp cùng với các điôt tín hiệu silicon bình thường để tạo ra nhiều giá trị điện áp tham chiếu đầu ra khác nhau như minh họa dưới đây.

Các Điôt Zener Nối Tiếp

Các giá trị của các điôt Zener riêng lẻ có thể được chọn phù hợp với ứng dụng trong khi điôt silicon sẽ luôn giảm khoảng 0,6 – 0,7V trong điều kiện đấu áp thuận. Điện áp nguồn, Vin tất nhiên phải cao hơn điện áp tham chiếu đầu ra lớn nhất và trong ví dụ trên là 19v.

Một điôt Zener điển hình cho các mạch điện tử chung là loại 500mW, dòng BZX55 hoặc loại lớn hơn 1,3W, dòng BZX85 với điện áp Zener được đặt tên, ví dụ, C7V5 cho một điôt 7,5V cho số tham chiếu điôt BZX55C7V5.

Dòng điôt Zener 500mW có sẵn từ khoảng 2,4 đến khoảng 100 vôn và thường có cùng dãy giá trị như dùng cho dãy điện trở 5% (E24) với các mức điện áp riêng lẻ cho những điôt nhỏ nhưng rất hữu ích này được liệt kê trong bảng dưới đây.

Mạch Cắt Zener

Cho đến nay chúng ta đã tìm hiểu cách sử dụng điôt Zener để điều chỉnh một nguồn một chiều không đổi, nhưng nếu tín hiệu đầu vào không phải là một chiều mà là một dạng sóng xoay chiều thì điôt Zener sẽ phản ứng như thế nào với một tín hiệu thay đổi liên tục.

Mạch cắt và kẹp điôt là các mạch được sử dụng để định hình hoặc sửa đổi một dạng sóng đầu vào xoay chiều (hoặc bất kỳ sóng sin nào) tạo ra một dạng sóng đầu ra khác tùy thuộc vào sự sắp xếp mạch. Các mạch cắt điôt cũng được gọi là mạch giới hạn vì chúng giới hạn hoặc cắt bỏ phần dương (hoặc âm) của một tín hiệu xoay chiều đầu vào. Vì các mạch cắt Zener giới hạn hoặc cắt bỏ một phần dạng sóng qua chúng, chúng chủ yếu được sử dụng cho bảo vệ mạch hoặc trong các mạch định hình sóng.

Ví dụ, nếu chúng ta muốn cắt một dạng sóng đầu ra tại +7,5V, chúng ta sẽ sử dụng một điôt Zener 7,5V. Nếu dạng sóng đầu ra cố gắng vượt quá giới hạn 7,5V, điôt sẽ “cắt bỏ” điện áp dư từ đầu vào tạo ra một dạng sóng có đỉnh phẳng vẫn giữ đầu ra không đổi ở +7,5V.

Lưu ý rằng trong điều kiện đấu áp thuận, một điôt Zener vẫn là một điôt và khi dạng sóng xoay chiều đầu ra đi âm dưới -0,7V, điôt Zener sẽ bật “ON” giống như bất kỳ điôt silicon bình thường nào và cắt đầu ra tại -0,7V như minh họa dưới đây.

Tín hiệu Sóng Vuông

Các điôt Zener nối ngược có thể được sử dụng làm ổn áp xoay chiều tạo ra cái được gọi đùa là “máy tạo sóng vuông của người nghèo”. Sử dụng sự sắp xếp này, chúng ta có thể cắt dạng sóng giữa một giá trị dương +8,2V và một giá trị âm -8,2V cho một điôt Zener 7,5V.

Vì vậy, ví dụ, nếu chúng ta muốn cắt một dạng sóng đầu ra giữa hai giá trị tối thiểu và tối đa khác nhau, giả sử +8V và -6V, chúng ta chỉ cần sử dụng hai điôt Zener có định mức khác nhau. Lưu ý rằng đầu ra sẽ thực sự cắt dạng sóng xoay chiều giữa +8,7V và -6,7V do sự cộng thêm điện áp đấu áp thuận của điôt.

Nói cách khác, điện áp đỉnh-đỉnh là 15,4 vôn thay vì 14 vôn như mong đợi, vì sụt áp đấu áp thuận qua điôt thêm 0,7 vôn ở mỗi hướng.

Loại cấu hình cắt này khá phổ biến để bảo vệ mạch điện tử khỏi quá áp. Hai điôt Zener thường được đặt ngang qua đầu vào nguồn cấp và trong quá trình vận hành bình thường, một trong các điôt Zener ở trạng thái “TẮT” và các điôt không hoặc ít ảnh hưởng. Tuy nhiên, nếu dạng sóng điện áp đầu vào vượt quá giới hạn, thì các Zener sẽ bật “ON” và cắt đầu vào để bảo vệ mạch.

Trong bài hướng dẫn tiếp theo về điôt, chúng ta sẽ tìm hiểu cách sử dụng tiếp giáp PN đấu áp thuận của một điôt để tạo ra ánh sáng. Chúng ta biết từ các bài trước rằng khi các hạt mang điện di chuyển qua tiếp giáp, các electron kết hợp với lỗ trống và năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt, nhưng một phần năng lượng này cũng bị tỏa dưới dạng phôtôn nhưng chúng ta không thể nhìn thấy chúng.

Nếu chúng ta đặt một thấu kính quanh tiếp giáp, ánh sáng nhìn thấy được sẽ được tạo ra và điôt trở thành một nguồn sáng. Hiệu ứng này tạo ra một loại điôt khác được gọi là Điôt Phát Quang, tận dụng đặc tính tạo ánh sáng này để phát ra ánh sáng (phôtôn) ở nhiều màu và bước sóng khác nhau.