Spis treści:
Zenerova dioda je důležitou součástí montážní elektroniky, bez které se někdy prostě neobejdete. Zdánlivě běžná, obyčejná dioda s konektorem PN, ale se zajímavými funkcemi. Je to prvek projektů v dílně elektronika, a nejen, který by prostě měl znát. Podívejme se proto na Zenerovu diodu blíže.
Co je to Zenerova dioda?
Zenerova dioda je křemíková polovodičová součástka, která umožňuje průchod proudu dvěma směry (“dopředný” a “zpětný”). Někdy se také označuje, i když poměrně zřídka, jako stabilizátor. Zenerovy diody se skládají ze speciálního, silně dopovaného p-n přechodu, který je navržen tak, aby při dosažení určitého napětí vedl proud v opačném směru. Na rozdíl od běžné diody, která blokuje průchod jakéhokoli proudu v opačné polaritě (když je potenciál katody vyšší než potenciál anody), začne Zenerova dioda vést v opačném směru, když toto napětí překročí určitou mez.
Fungování Zenerovy diody
Běžné diody blokují tok proudu, když katodový potenciál převyšuje anodový potenciál, tj. při bariérové polaritě. Zenerova dioda vede proud bez poruchy směrem dovnitř, když hodnota napětí překročí prahovou hodnotu. Kromě toho zůstává úbytek napětí na diodě konstantní v širokém rozsahu napětí, a právě díky tomu jsou Zenerovy diody vhodné pro použití při regulaci napětí.
Hodně tedy záleží na směru vedení – a v tom spočívá podstata fungování Zenerovy diody. Pokud je anoda vůči katodě kladně polarizovaná, funguje Zenerova dioda stejně jako běžné diody. Pokud je tomu naopak, tj. katoda je vůči anodě polarizována kladně a polarizace je záporná, může Zenerova dioda při překročení napětí vést proud. Jejím nejdůležitějším parametrem je proto její dielektrická pevnost – průrazné napětí. V rozmezí napětí 5-7 V dochází k určitému slučování – Zenerův jev a lavinový průraz, při napětí vyšším než 7 V dochází pouze k lavinovému průrazu.
Zenerův jev a lavinový průraz
Není těžké uhodnout, že v elektronice se Zenerův jev (objevený v roce 1934 Clarencem Melvinem Zenerem) popisuje především v souvislosti s diodou v dnešním článku. Dochází k němu u silně dopovaných p-n přechodů polarizovaných záporně (zpětné zkreslení). Vztahuje se k průraznému napětí. Vlivem vysokého napětí zpětného předpětí se depleční oblast p-n přechodu rozšiřuje, což vede k silnému elektrickému poli na přechodu. Tato dostatečně silná elektrická pole umožňují elektronům tunelovat přes depleční oblast polovodiče, což vede ke generaci mnoha volných nosičů náboje. Náhlá generace nosičů rychle zvyšuje zpětný proud a je příčinou vysoké vodivosti Zenerovy diody.
Lavinový průraz
V případě lavinového průrazu je situace poněkud odlišná. Zenerův jev a lavinový průrazný jev se mohou vyskytovat současně i nezávisle na sobě. Lavinový jev se může vyskytovat v izolačních i polovodičových materiálech. Jedná se o formu násobení elektrického proudu, která umožňuje průchod velmi velkých proudů v materiálech, které jsou jinak dobrými izolanty. Jedná se o typ lavinového elektronového jevu.
Materiály vedou elektřinu, pokud obsahují pohyblivé nosiče náboje. V polovodiči existují dva typy nosičů náboje: volné elektrony (pohyblivé elektrony) a elektronové díry (pohyblivé díry, které postrádají elektrony v normálně obsazených elektronových stavech). Normálně vázaný elektron, například ve vazbě, se v diodě s obráceným předpětím může odtrhnout v důsledku tepelných výkyvů nebo excitace. Pak vytvoří pohyblivý pár elektron-díra. Pokud je v polovodiči elektrické pole, bude se elektron pohybovat směrem ke kladnému napětí, zatímco díra se bude pohybovat směrem k zápornému napětí. Obvykle se elektron a díra jednoduše přesunou na opačné konce krystalu a vstoupí do příslušných elektrod.
Je-li elektrické pole dostatečně silné, může se pohybující se elektron nebo díra urychlit na dostatečně vysokou rychlost, aby vyřadil ostatní vázané elektrony, čímž vznikne více volných nosičů náboje, zvýší se proud a dojde k dalším “vyřazovacím” procesům. A tak vzniká lavina!
Příklad použití Zenerovy diody
Díky popsaným vlastnostem jsou Zenerovy diody vhodné jako regulátory napětí, zdroje referenčního napětí ve stabilizátorech (referenční napětí), odrušovače přepětí a ve spínacích aplikacích. Za zmínku stojí také ochranný účinek Zenerovy diody – pokud vstupní napětí vzroste na hodnotu vyšší než Zenerovo průrazné napětí, protéká diodou proud a vytváří úbytek napětí na rezistoru. To spustí SCR (křemíkový řízený usměrňovač) a vytvoří zkrat na zemi. Zkrat otevře pojistku, odpojí zátěž od napájení a vytvoří tak přepěťovou ochranu. Nárůst proudu může být okamžitý a rychlý, když polarizační napětí dosáhne hodnoty vyšší, než je charakteristika přechodu, ale Zenerova dioda se postará o zbytek a neselže.
Zenerovy diody se často objevují na dílně desky při návrhu prototypů a obvodů. V praktickém použití je důležitá hodnota průrazného napětí tolerance, která obvykle dosahuje několika procent. Při nákupu je také třeba věnovat pozornost výkonovým a napěťovým parametrům Zenerových diod, které lze nalézt ve verzi pro povrchové pájení SMD a pro tradiční montáže THT. Zajímavost: vyskytují se i v zařízeních pro generování náhodných čísel a v kryptografii!
