Zener Diyot ile Voltaj Regülasyonu

Zener Diyot, temel olarak standart PN bağlantı diyotuyla aynıdır, ancak uygulanan herhangi bir ters voltajdan yararlanan düşük ve belirlenmiş bir Ters Arıza Voltajına sahip olacak şekilde özel olarak tasarlanmıştır. 

Bir yarı iletken diyot akımı ters yönde bloke eder, ancak uygulanan ters voltaj çok yükselirse erken bozulma veya hasara maruz kalır.

Zener diyot, ileri polarlandıysa yani kullanılması gerektiği gibi kullanılıyorsa genel kullanım diyotları gibi davranır. Bununla birlikte, ters kutuplandığında kendi içinden herhangi bir akım akışını engelleyen geleneksel bir diyottan farklı olarak, yani Katot, Anottan daha pozitif hale gelirse, ters voltaj önceden belirlenmiş bir değere ulaşır ulaşmaz, zener diyot devrede iletmeye başlar.

Bunun nedeni, zener diyota uygulanan ters voltaj, diyotun nominal voltajını aştığında, yarı iletken tükenme katmanında Çığ Arızası(Avalanche Breakdown) adı verilen bir olay meydana gelir ve voltajdaki bu artışı sınırlamak için diyottan bir akım akmaya başlar.

Şimdi zener diyotundan akan akım, maksimum devre değerine (genellikle bir seri dirençle sınırlıdır) önemli ölçüde artar ve bir kez elde edildiğinde, bu ters doyma akımı, geniş bir ters voltaj aralığında oldukça sabit kalır. Zener diyot üzerindeki voltajın kararlı hale geldiği voltaj noktasına “zener voltajı” ( Vz ) denir ve zener diyotlar için bu voltaj bir volttan birkaç yüz volta kadar değişebilir.

Zener voltajının diyottan geçen akımı tetiklediği nokta, diyot yarı iletken yapısının doping aşamasında çok hassas bir şekilde kontrol edilebilir (% 1’den daha az toleransa kadar) diyota belirli bir zener kırılma voltajı (  Vz  ) verir. örneğin, 4.3V veya 7.5V. IV eğrisindeki bu zener arıza voltajı neredeyse dikey bir düz çizgidir.

zener diyot
Zener Diyot IV Özellikleri

Zener diyot akımının arıza akımı/kırılma akımı IZ(min) ile maksimum akım derecesi IZ(maks) arasında kalması koşuluyla, bu voltaj akımdaki büyük değişikliklerle bile neredeyse sabit kalır.

Zener diyotun bu kendini kontrol etme yeteneği, bir voltaj kaynağını besleme veya yük değişimlerine karşı düzenlemek veya stabilize etmek için kullanılabilir. Arıza bölgesinde diyot üzerinden geçen voltajın hemen hemen sabit olması, en basit tip voltaj regülatör uygulamalarında kullanılabileceği için zener diyotun önemli bir özelliği olduğu ortaya çıkmaktadır.

Bir voltaj regülatörünün işlevi, besleme voltajındaki dalgalanmalara veya yük akımındaki değişikliklere rağmen, kendisine paralel bağlı bir yüke sabit bir çıkış voltajı sağlamaktır. Bir zener diyot, akımı tutan diyotlar ters arıza bölgesinde minimum I Z(min) değerinin altına düşene kadar voltajını düzenlemeye devam edecektir.

Zener Diyot Regülatörü

Zener Diyot, değişen yük akımı koşullarında düşük dalgalanma ile stabilize bir voltaj çıkışı üretmek için kullanılabilir. Uygun bir akım sınırlama direnci kullanarak devre sağlıklı bir şekilde tamamlanabilir.

Yarım veya tam dalga doğrultuculardan gelen DC çıkış voltajının, DC voltajına bindirilmiş dalgalanma içerdiğini ve yük değeri değiştikçe ortalama çıkış voltajını değiştirdiğini önceki öğreticilerden hatırlıyoruz. Doğrultucunun çıkışına aşağıda gösterildiği gibi basit bir zener stabilizatör devresi bağlayarak daha kararlı bir çıkış voltajı üretilebiliriz.

zener diyot

Direnç RS gerilim kaynağı ile diyot üzerinden akım akışını sınırlandırmak için zener diyot ile seri bağlanmıştır.

Zener diyot, DC kaynağının pozitif rayına bağlı olan katot terminali ile bağlanır, bu nedenle ters polarmalı ve arıza durumunda çalışacaktır. 

Devreye yük bağlı değilken, yük akımı sıfır olacaktır (  I L  = 0  ) ve tüm devre akımı zener diyotundan geçecektir ve bu da devrenin maksimum gücünü dağıtacaktır. Ayrıca, RS direncinin küçük bir değeri olması, yük direnci RL bağlandığında daha büyük bir diyot akımı ile sonuçlanacaktır ve bu, diyotun güç harcama gereksinimini artıracağından, uygun direnç değeri seçilirken dikkatli olunmalıdır. Bu yüksüz veya yüksek empedans koşulu altında zenerin maksimum güç derecesi aşılmamalıdır.

Yük, zener diyotuna paralel olarak bağlanır, bu nedenle R L üzerindeki voltaj her zaman zener voltajıyla aynıdır, (  V R  = V Z  ). Gerilimin stabilizasyonunun etkili olduğu minimum bir zener akımı vardır ve zener akımı, arıza bölgesinde yük altında çalışırken her zaman bu değerin üzerinde kalmalıdır. Akımın üst sınırı elbette cihazın güç derecesine bağlıdır. Besleme gerilimi V S , V Z’den büyük olmalıdır .

Zener diyot stabilizatör devreleriyle kullanırken ortada küçük bir problem vardır. Diyotun voltajı dengelemeye çalışırken DC kaynağının üzerinde bazen elektriksel gürültü üretebilmesidir. Normalde bu çoğu uygulama için bir sorun değildir, ancak ek yumuşatma sağlamak için zener çıkışına büyük değerli bir dekuplaj kondansatörünün eklenmesi gerekebilir.

Bir zener diyotu her zaman ters polarma durumunda çalıştırılır. Böyle basit bir voltaj regülatör devresi, giriş voltajındaki değişikliklere veya yük akımındaki değişikliklere rağmen yük boyunca sabit bir DC çıkış voltajı sağlar.

Zener voltaj regülatörü, bu ters taraflı durumda R L yüküne paralel olarak bağlanan zener diyotu ile giriş voltajı V S ile seri olarak bağlanmış bir akım sınırlama direncinden R S oluşur . Stabilize edilmiş çıkış voltajı her zaman diyotun bozulma voltajı V Z ile aynı olacak şekilde seçilir.

Zener Diyot Soru Örneği 1

A 5.0V stabilised power supply is required to be produced from a 12V DC power supply input source. The maximum power rating PZ of the zener diode is 2W. Using the zener regulator circuit above calculate:

12V DC güç kaynağından 5V regüle edilip kullanılacaktır.Zener diyotun maksimum güç derecesi PZ = 2W’dir. Yukarıdaki zener regülatör devresini kullanarak şunları hesaplayın:

1.  Zener diyottan geçen maksimum akım:

zener diyot

 2. RS direncinin minimum değeri:

zener diyot

3. Zener diyota 1kΩ’luk bir yük direnci bağlıysa,  yük akımı IL kaç olur?

zener diyot

4. Full yükte zener akımı IZ kaç olur?

zener diyot

Zener Voltaj Diyotları

Tek bir stabilize voltaj çıkışı üretmenin yanı sıra, zener diyotlar, aşağıda gösterildiği gibi çeşitli farklı referans voltaj çıkış değerleri üretmek için normal silisyum sinyal diyotları ile birlikte seri olarak da bağlanabilir.

Seri Bağlı Zener Diyotlar

zener diyot

Tek tek zener diyotlarının değerleri uygulamaya uyacak şekilde seçilebilirken, silisyum diyot ileri polarlama durumunda her zaman yaklaşık 0,6 – 0,7V düşer. Besleme gerilimi, Vin elbette en büyük çıkış referans geriliminden daha yüksek olmalıdır ve yukarıdaki örneğimizde bu 19v’dir.

Genel elektronik devreler için tipik bir zener diyotu 500mW, BZX55 serisi veya daha büyük 1.3W, BZX85 serisidir, örneğin zener voltajı 7.5V diyot için C7V5 olarak verilmiş ve diyot referans numarası BZX55C7V5 olarak verilmiştir.

500mW serisi zener diyotlar, yaklaşık 2.4 ila yaklaşık 100 volt arasında mevcuttur ve tipik olarak, bu küçük ama çok kullanışlı diyotlar için ayrı voltaj dereceleri ile %5 (E24) direnç serisi için kullanılanla aynı değer dizisine sahiptir.

zener diyot

Şimdiye kadar, sabit bir DC kaynağını düzenlemek için bir zener diyotunun nasıl kullanılabileceğini inceledik, ancak ya giriş sinyali DC yerine AC dalga formu olduğunda neler yapacağımızı, “Diyot Kırpma Devreleri” yazımızda inceleyeceğiz.