Mạch ổn áp dùng Diode Zener

Diode Zener là gì ?

Khi được đấu áp thuận, Diode Zener hành xử giống như một điôt silicon bình thường với tiếp giáp PN, cho phép dòng điện đi từ anôt đến catôt. Tuy nhiên, không giống như điôt bình thường ngăn dòng điện khi được đấu áp nghịch, khi đạt đến một ngưỡng điện áp nghịch nhất định, điôt Zener bắt đầu dẫn với dòng điện chảy theo hướng ngược lại.

Khi điện áp nghịch đặt vào điôt Zener vượt quá một giá trị ngưỡng giới hạn, đặc trưng cho linh kiện, một quá trình gọi là phá vỡ dòng điện xảy ra trong vùng tụ điện bán dẫn, sau đó điôt tạo ra dòng điện để giới hạn sự gia tăng điện áp. Trong quá trình này, các điện tích được tạo ra bởi va chạm của các electron tự do với các nguyên tử lân cận, dẫn đến sự phát triển của nhiệt và khả năng gây hư hỏng không thể đảo ngược cho thiết bị.

Hình 1

Tuy nhiên, nếu điôt được chế tạo với vùng tụ điện rất mỏng và được đóng mức độ cao, có thể tạo ra dòng điện nghịch do hiệu ứng tạo ra một điện trường cường độ cao tại tiếp giáp. Quá trình này (Hình 1), được gọi là phá vỡ Zener, có thể đảo ngược và không làm hỏng điôt. Điểm trên trục hoành bắt đầu từ đó điện áp trên điôt Zener trở nên ổn định tương ứng với điện áp Zener (VZ) gọi là điện áp Zener, giá trị của nó có thể từ vài vôn đến vài trăm vôn. Độ dốc của đường cong dẫn và giá trị dòng điện nghịch tối thiểu từ đó quá trình được kích hoạt có thể được kiểm soát cẩn thận, với dung sai dưới 1%, trong quá trình đóng mức độ và chế tạo điôt.

Mạch ổn áp dùng Diode Zener

Điôt Zener cung cấp mức ổn định (nguồn cấp) cao hơn nhiều so với mạch chỉnh lưu cầu và tụ điện lọc. Cụ thể, bằng cách đóng mức độ bán dẫn phù hợp, có thể đạt được độ dốc cho đường cong phá vỡ Zener của Hình 1 gần như thẳng đứng, thu được điện áp ổn định với rung nhỏ và không đổi khi điện áp đầu vào thay đổi. Hình 2 cho thấy sơ đồ mạch ổn áp đơn giản nhất dựa trên Zener. Một điôt Zener với VZ = 12V đã được sử dụng, trong khi giá trị điện trở nối tiếp R có thể được xác định như trong hình, trong đó Vi là điện áp đầu vào, Vo là điện áp đầu ra ổn định (12V), và IL là dòng điện tiêu thụ bởi tải.

Hình 2

Khi không có tải, IL = 0 và toàn bộ dòng điện của mạch sẽ đi qua điôt Zener, lúc này điôt sẽ tỏa nhiệt công suất tối đa. Do đó, cần chọn giá trị điện trở nối tiếp phù hợp như đã chỉ ra, để không vượt quá công suất tối đa mà Zener có thể chịu khi không có tải nối vào. Mạch này, có khả năng tạo ra dòng điện vài chục miliampe, thường được sử dụng để đấu cực cho base của một transistor hoặc làm đầu vào cho một ampli tích phân, từ đó có được giá trị dòng điện cao hơn. Hình 3 cho thấy một ổn áp shunt transistor có khả năng mở rộng công suất tiêu thụ bởi tải. Điện áp đầu ra VO được cho bởi: VO = VZ + VBE.

Hình 3

Điện áp Zener tiêu chuẩn

Trên thị trường, các điôt Zener có sẵn với điện áp từ hơn 1V đến vài trăm vôn. Cho mỗi giá trị điện áp, thường có một hoặc nhiều giá trị công suất, từ dưới 0,5W đến trên 5W. Trong số các dòng điôt Zener phổ biến nhất là dòng tín hiệu nhỏ BZX55, với điện áp VZ từ 2,4V đến 75V và công suất tối đa 500mW. Dòng điôt Zener công suất BZX85 cũng được sử dụng rộng rãi, với điện áp VZ từ 2,7V đến 100V và công suất tối đa 1.300mW.

Ổn áp nối tiếp với Điôt Zener

Hình 4 cho thấy ví dụ đơn giản nhất của một ổn áp nối tiếp với điôt Zener. Transistor được nối theo kiểu đệm điện áp và điện áp đầu ra thấp hơn khoảng 0,6 đến 0,7V so với điện áp Zener. Điện trở R phải được định mức sao cho điôt Zener được đấu cực đúng và dòng base của Q1 đủ để đưa nó vào dẫn. Để ngăn dòng qua Zener không giảm xuống giá trị không tương thích với hiệu ứng Zener, transistor công suất thấp 2N2222 có thể được thay bằng một transistor Darlington.

Hình 4