Dioda Zenera – Co to jest i jakie ma zastosowanie?

Dioda Zenera w gruncie rzeczy jest tą samą standardową diodą ze złączem PN. Została ona zaprojektowana w taki sposób, aby możliwe było uzyskanie niskiego, ściśle określonego napięcia przebicia wstecznego, co prowadzi do ograniczenia dowolnego napięcia wstecznego do niej przyłożonego. Dioda Zenera zachowuje się dokładnie w taki sam sposób, jak dioda ogólnego przeznaczenia zawierająca krzemowe złącze PN, jednak odróżnia się kilkoma ważnymi cechami. Co odróżnia diodę Zenera od innych rodzajów diod? Co warto o niej wiedzieć?

Dioda Zenera — Ogólna charakterystyka

Dioda Zenera to odmiana diody półprzewodnikowej. Głównym parametrem w tym przypadku jest tak zwane ”napięcie złącza p-n”. Po przekroczeniu linii przebicia następuje gwałtowny i nagły wzrost prądu. W przypadku, kiedy do czynienia mamy z drogą w kierunku przewodzenia dioda Zenera zachowuje się dokładnie tak, jak tradycyjna dioda, natomiast w przypadku polaryzacji zaporowej prąd przewodzony jest po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, nazywanego potocznie napięciem przebicia. W przypadku niewielkich napięć nieprzekraczających 5 V zjawisko Zenera odgrywa podstawową funkcję. W przypadku natężenia 5-7 V następuje przebicie lawinowe, a powyżej 7 V następuje wyłącznie przebicie lawinowe. Można zauważyć, iż napięcie przebicia nie jest w żaden sposób zależne od płynącego prądu, a jego zmiany są nieznaczne w momencie dużych zmian prądu przebicia.

Gdzie stosowane są diody Zenera?

Skoro wiemy już czym cechuje się dioda Zenera, przejdźmy do kwestii związanych z jej zastosowaniem. Diody Zenera znalazły swoje zastosowanie jako źródło napięcia odniesienia w przypadku stabilizatorów napięcia, a zwłaszcza w układach, które nie wymagają dodatkowej stabilności (na przykład termicznej). Diody Zenera stosowane są do przesuwania poziomów napięć, a także jako element pełniący funkcję zabezpieczenia i działania przeciw przepięciom. Diody Zenera stosowane są także w kryptografii.

Różnice między diodą Zenera a zwykłą diodą

Dioda Zenera zachowuje się dokładnie w taki sam sposób jak dioda ogólnego przeznaczenia. Po spolaryzowaniu diody Zenera w kierunku przewodzenia, w momencie, gdy anoda ma potencjał wyższy od katody, rozpoczyna się przewodzenie prądu. W odróżnieniu od normalnej diody, która doprowadza do blokady przepływu prądu w polaryzacji zaporowej, dioda Zenera przewodzi w kierunku zaporowym w momencie przekroczenia określonego progu napięcia. Zjawisko to ma miejsce, kiedy napięcie, które przyłożone jest do diody, przekracza wartość znamionową, co doprowadza do przebicia prądu Zenera w tak zwanej warstwie zubożonej. W tym momencie przez diodę płynie prąd, aby niemożliwy był dalszy wzrost napięcia. Zjawisko to jest złożone i różni się bez względu na parametry i sposób wykonania diody. W przypadku diody Zenera prąd przepływający przez diodę gwałtownie wzrasta aż do maksymalnej wartości danego obwodu. Określone jest to rezystorem zaporowym. Wsteczny prąd nasilenia osiągnięty raz pozostaje niezmienny w przypadku wachlarza napięć wstecznych. Moment, w którym dochodzi do ustabilizowania napięcia na diodzie, nazywa się napięciem Zenera. Jego wartość może wynosić od jednego wolta do nawet setek woltów. Wśród różnic pomiędzy diodą Zenera a normalnymi diodami wymienić można:

• Małą odporność dynamiczną,
• przebicie, które gwarantuje nieprzebicie diody,
• wartość napięcia określoną dokładnie, z niewielką tolerancją,
• gwarancję możliwie gwałtownego przejścia do tak zwanego stanu przebicia złącza.

Charakterystyka I-U diody Zenera

Dioda Zenera, która stosowana jest w przypadku polaryzacji zaporowej (momencie przebicia wstecznego), czyli po podłączeniu anody diody do ujemnego bieguna. Z charakterystyki diody Zenera I-U zobaczyć można, że dioda Zenera w przypadku polaryzacji zaporowej posiada obszar, w którym napięcie pozostaje niemal na stałym poziomie, bez względu na stopień natężenia płynącego przez diodę prądu. Jest ono niezmienne, nawet w sytuacji dużych zmian prądu o ile wartość zawarta jest między tak zwanym minimalnym, a maksymalnym prądem diody. Zdolność utrzymywania napięcia stałego, stosowana może być do regulacji i stabilizacji napięcia w przypadku zmieniającego się zasilania lub obciążenia. Do funkcji regulatora zalicza się dostarczanie napięcia cechującego się zmienną wartością do włączonego w nim obciążenia w sposób równoległy pomimo zmian prądu obciążania lub tętnień napięcia. Dioda Zenera będzie prowadziła do stabilizacji tak długo, aż jej prąd będzie wyższy, niż w przypadku wartość prądu w obszarze zaporowym.