Đối với các diode thông thường thì dòng điện sẽ bị chặn qua chúng khi bị phân cực ngược và bị hỏng khi điện áp ngược đặt lên diode quá cao. Do đó, các diode này không bao giờ được phép hoạt động trong vùng đánh thủng.
Tuy nhiên, diode zener thì khác. Chúng được thiết kế đặc biệt để có thể hoạt động ở chế độ phân cực ngược trong vùng điện áp đánh thủng (breakdown) mà không bị hỏng. Vì lý do này, diode zener đôi khi còn được gọi là diode đánh thủng.
Diode zener là xương sống của các mạch điều chỉnh điện áp (mạch ổn áp), và các mạch giữ điện áp trên tải gần như không đổi mặc dù có sự thay đổi lớn về điện áp nguồn và điện trở tải.
Các hình dưới đây cho thấy ký hiệu và hình dạng của một diode zener. Trong ký hiệu, các đường giống chữ “Z”, viết tắt của “Zener”.
Hoạt động của diode zener
Một điốt zener có thể hoạt động ở một trong ba vùng: phân cực thuận, rò rỉ và đánh thủng. Hoạt động của diode này được thể hiện thông qua đặc tuyến Volt – Ampere.
Vùng phân cực thuận
Khi được phân cực thuận, diode zener hoạt động giống như các diode thông thường và bắt đầu dẫn điện khi điện áp phân cực thuận khoảng 0,7V.
Vùng rò rỉ
Vùng rò rỉ tồn tại giữa dòng điện bằng 0 (gốc tọa độ) và đánh thủng
Trong vùng rò rỉ, có một dòng điện ngược nhỏ chạy qua diode. Dòng điện ngược này là do các hạt tải điện thiểu số sinh nhiệt.
Vùng đánh thủng
Nếu bạn tiếp tục tăng điện áp ngược thì cuối cùng bạn sẽ đạt đến một giá trị được gọi là điện áp zener VZ của diode.
Tại điểm này, một quá trình gọi là đánh thủng thác lũ (Avalanche Breakdown) xảy ra trong lớp nghèo chất bán dẫn và diode bắt đầu dẫn điện theo hướng ngược lại.
Bạn có thể thấy trên đặc tuyến rằng vùng đánh thủng có khúc cong rất gấp, theo sau là sự gia tăng gần như theo chiều dọc của dòng điện. Lưu ý rằng điện áp trên diode zener gần như không đổi và xấp xỉ bằng VZ trên hầu hết vùng đánh thủng.
Đồ thị cũng cho thấy dòng điện ngược tối đa IZ(Max). Diode sẽ hoạt động trong phạm vi an toàn của nó, với điều kiện là dòng điện ngược nhỏ hơn IZ(Max). Nếu dòng điện vượt quá IZ(Max), diode sẽ bị phá hủy.
Mạch ổn áp dùng diode zener
Diode zener duy trì điện áp ngõ ra không đổi trong vùng đánh thủng, mặc dù dòng điện qua nó thay đổi. Đây là một tính năng quan trọng của điốt zener, có thể được sử dụng trong các ứng dụng điều chỉnh điện áp. Do đó, một điốt zener đôi khi được gọi là diode ổn áp.
Ví dụ, ngõ ra của mạch chỉnh lưu bán kỳ, toàn kỳ hoặc chỉnh lưu cầu bao gồm các gợn sóng chồng lên điện áp một chiều. Bằng cách kết nối một điốt zener đơn giản ở ngõ ra của mạch chỉnh lưu, chúng ta có thể có được điện áp DC ở ngõ ra ổn định hơn.
Hình dưới đây mô tả một mạch điều chỉnh điện áp đơn giản dùng điốt zener (hay còn gọi là mạch ổn áp zener).
Để điốt zener hoạt động trong điều kiện đánh thủng, điốt zener được phân cực ngược bằng cách kết nối cực cathode của nó với cực dương của nguồn điện đầu vào.
Một điện trở nối tiếp (giới hạn dòng) RS được mắc nối tiếp với điốt zener để dòng điện chạy qua diode nhỏ hơn định mức dòng điện tối đa của nó. Nếu không, điốt zener sẽ bị cháy, giống như bất kỳ linh kiện nào do tiêu tán công suất quá lớn.
Nguồn điện áp VS được kết nối vào ngõ vào của mạch. Ngoài ra, để giữ cho diode hoạt động trong điều khiện đánh thủng, điện áp nguồn VS phải lớn hơn điện áp đánh thủng zener VZ.
Điện áp ổn định ở ngõ ra Vout cũng chính là điện áp trên điốt zener.
Hoạt động đánh thủng
Để kiểm tra xem diode zener có hoạt động trong vùng đánh thủng hay không, chúng ta cần tính toán điện áp Thevenin. Điện áp Thevenin là điện áp tồn tại khi ngắt kết nối điốt zener khỏi mạch.
Do mạch phân áp, chúng ta có thể viết:
VTH = VS.RL/(RS + RL)
Khi điện áp Thevenin này vượt quá điện áp zener thì hiện tượng đánh thủng sẽ xảy ra.
Dòng điện nối tiếp
Điện áp trên điện trở nối tiếp bằng hiệu giữa điện áp nguồn và điện áp zener. Do đó, theo định luật Ôm, cường độ dòng điện qua điện trở nối tiếp là:
IS = (VS – VZ)/RS
Dòng điện nối tiếp không đổi cho dù có hay không có điện trở tải. Có nghĩa là, ngay cả khi bạn ngắt kết nối điện trở tải, dòng điện qua điện trở nối tiếp sẽ bằng điện áp trên điện trở nối tiếp RS chia cho giá trị của điện trở này.
Điện áp tải và dòng điện tải
Bởi vì điện trở tải mắc song song với diode zener nên điện áp trên tải bằng với điện áp zener.
VL = VZ
Sử dụng định luật Ohm, chúng ta có thể tính toán dòng điện chạy qua tải như sau:
IL = VL/RL = VZ/RL
Dòng điện Zener
Diode zener và điện trở tải mắc song song. Tổng dòng điện qua diode và điện trở tải bằng dòng điện qua điện trở nối tiếp.
IS = IZ + IL
Điều này cho chúng ta biết rằng, dòng qua điốt zener bằng dòng nối tiếp trừ đi dòng tải.
IZ = IS – IL
Các thông số kỹ thuật của diode zener
- Điện áp zener VZ: Điện áp zener cũng chính là điện áp ngược đánh thủng. Điện áp này có giá trị từ 2.4 V đến khoảng 200 V. Điện áp zener có khá nhiều loại đó là 2.4V, 2.7V, 3.3V, 3.7V, 4.1V, 4.7V, 5.1V, 6.2V, 9.1v, 10V, 12V, 13V, 15V, 18V, 20V, 24V…
- Dòng điện IZ(Max): Dòng điện cực đại tương ứng với điện áp zener định mức VZ, IZ(Max) = 200 µA – 200 A.
- Dòng điện IZ(Min): Dòng điện tối thiểu cần thiết để diode bị đánh thủng, IZ(Min) = 5mA – 10mA.
- Công suất danh định: Công suất tiêu tán tối đa của diode Zener được tính bằng tích của điện áp trên diode và dòng điện chạy qua nó. Các giá trị tiêu biểu là 400 mW, 500mW, 1 W và 5W.
- Sai số điện áp: Thông thường ± 5%.
- Nhiệt độ làm việc ổn định: Diode có độ ổn định tốt nhất khi làm việc với điện áp 5V.
- Điện trở zener RZ: Điốt zener có một giá trị điện trở nhất định được thể hiện qua đặc tuyến V-I.
Đến đây, chúng ta đã thấy cách sử dụng diode zener để điều chỉnh nguồn DC liên tục. Ngoài ra, điốt zener cũng được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng của loại diode này.
Mạch tiền ổn áp
Ý tưởng cơ bản đằng sau mạch tiền ổn áp là cung cấp ngõ vào một điện áp ổn định cho mạch điều chỉnh điện áp zener để ngõ ra cuối cùng được điều chỉnh cực kỳ tốt.
Dưới đây là một ví dụ về mạch tiền ổn áp (diode zener đầu tiên) điều khiển bộ điều chỉnh zener (diode zener thứ hai).
Tạo dạng sóng
Trong hầu hết các ứng dụng, diode zener hoạt động trong vùng đánh thủng. Nhưng vẫn có những trường hợp ngoại lệ như các mạch tạo sóng.
Trong mạch tạo sóng ở trên, hai diode zener được kết nối ngược nhau để tạo ra dạng sóng vuông.
Trong bán kỳ dương, diode phía trên Z1 được phân cực thuận, dẫn điện còn diode phía dưới Z2 bị phân cực ngược, hoạt động trong dùng đánh thủng. Do đó, điện áp ngõ ra bị cắt bớt.
Trong bán kỳ âm, hoạt động của các diode được đảo ngược. Diode phía dưới Z2 được phân cực thuận, dẫn điện còn diode Z1 phía trên bị phân cực ngược, hoạt động trong vùng đánh thủng. Bằng cách này, mạch tạo ra một sóng vuông ở ngõ ra.
Mức cắt bằng điện áp zener (diode đánh thủng) cộng với 0,7V (diode phân cực thuận).
Tạo các điện áp không tiêu chuẩn
Bằng cách kết hợp các diode zener với các diode thông thường, chúng ta có thể tạo ra một số điện áp DC có giá trị khác nhau ở ngõ ra như sau:
Điều khiển relay
Như bạn cũng đã biết biết rằng việc kết nối relay 5V với một hệ thống có điện áp 12V có thể làm hỏng relay. Khi đó, bạn cần giảm điện áp xuống. Hình dưới đây cho thấy một cách để thực hiện điều này.
Trong mạch này, diode zener 5,6V được mắc nối tiếp với relay để chỉ có 6,4V xuất hiện trên relay, nằm trong khả năng chịu đựng của định mức điện áp của relay.
Kết luận
Diode zener là một trong những điốt được thiết kế đặc biệt, hoạt động chủ yếu trong điều kiện phân cực ngược. Các ứng dụng chủ yếu của điốt zener bao gồm: tạo điện áp chuẩn, tạo dạng sóng, dùng làm mạch ổn áp đơn giản, mạch bảo vệ … Hy vọng bài viết mang đến những kiến thức cần thiết mà các bạn đang cần tìm hiểu.
