Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 4: Diode Zener

Nhập môn Điện tử Chương 4 Diode Zener 1 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 1. Tổng quan Diode Zener là linh kiện bán dẫn loại Silicon có mối nối pn được thiết kế để hoạt động vùng phân cực nghịch. Điện thế phá vỡ phân cực nghịch của diode Zener được chỉnh một cách cẩn thận trong quá trình sản xuất. 2 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 2. Nguyên tắc hoạt động Diode Zener khi đóng vai trò một ổn áp sẽ luôn duy trì một điện áp không đổi qua tải dù cho dòng qua tải hay điện áp đầu vào thay đổi. Hạn chế: Diode Zener có hiệu suất thấp nếu dòng qua tải lớn. Điện áp ra sẽ thay đổi nhẹ do mối diode Zener có điện trở nội: VVIZ out Z z Z do đó diode Zener chỉ đóng vai trò ổn áp khi không có sự thay đổi lớn dòng qua tải và điện áp đầu vào. 3 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 3. Chế độ hoạt động của diode Zener (khi điện thế đầu vào và tải cố định) Xác định trạng thái của diode zener bằng cách tháo rời diode zener ra khỏi mạch và tính hiệu thế V ở hai đầu của mạch hở RL VV i RR L  Nếu VVZ: Diod Zener hoạt động  Nếu V<VZ: Diod Zener không hoạt động (xem như mạch hở) 4 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 3. Chế độ hoạt động của diode Zenner (khi điện thế đầu vào và tải cố định) Nếu V>VZ: Diod Zener hoạt động IIIZRL, VViZ VZ IIRL, RRL VVPVILZZZZ,. Nếu V<VZ: Diod Zener không hoạt động (xem như mạch hở) IZ  0 Vi IIRL RR L 5 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 3. Chế độ hoạt động của diode Zener (khi điện thế đầu vào và tải cố định) Ví dụ Cho mạch điện như hình vẽ, xác định các giá trị VR , VL , IZ , PZ a) R=1k, RL =1,2 k, Vi =16V, VZ =10V. b) thay RL =3 k 6 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 3. Chế độ hoạt động của diode Zener (khi điện thế đầu vào và tải cố định) Giải: a) R 3 L 1,2.10 VVVVViZ 3 16  8,73   10 RRL (1 1,2).10 Diode Zener không hoạt động, IZ =0A VVVL 8,73 VVVVR i  L 16  8,73  7,27 PVIWZZZ.0 7 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 3. Chế độ hoạt động của diode Zener (khi điện thế đầu vào và tải cố định) b) VVVLZ10 VVVVR i  L 16  10  6 R L V 10 VV i L IL    3,33 mA RR L 3 RL 3.10 3.103  16 12V VR 6 3 I   6 mA (1 3).10 R R 1.103 IZRL I  I 6  3,33  2,67 mA V >VZ Diode Zener hoạt động PZZZ V. I  10.2,67  26,7 mW 8 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 4. Các ứng dụng của diode Zener 4.1 Điều hoà áp ngõ ra khi áp ngõ vào thay đổi Khi điện áp ngõ vào thay đổi trong phạm vi định trước, diode zener duy trì điện áp đặt ngang qua hai đầu của nó gần như không đổi. Khi áp vào Vi thay đổi, dòng IZ thay đổi tỉ lệ với điện áp ngõ vào trong phạm vi xác định trước từ: IZK (dòng cực tiểu qua diode zener) đến IZM (dòng cực đại qua diode zener). Điện trở R nối trên ngõ vào, được gọi là điện trở giới hạn. 9 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 4. Các ứng dụng của diode Zener 4.1 Điều hoà áp ngõ ra khi áp ngõ vào thay đổi Nếu ta giữ RL cố định, Vi phải đủ lớn thì zener mới hoạt động. Trị số tối đa của Vi được xác định bởi dòng IZM : VL IIIIIIIZ R  L  RMax  ZM  L  ZM  RL  VVVRIViMax RMax Z . RMax Z Trị số tối thiểu của Vi để zener có thể hoạt động được xác định bởi: VL IIIIIIIZ R  L  RMin  ZK  L  ZK  RL  VVVRIViMin RMin Z . RMin Z Nếu không đề cập đến IZK , ta coi như IZK =0, RRL  VViMin Z RL 10 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 4. Các ứng dụng của diode Zener 4.1 Điều hoà áp ngõ ra khi áp ngõ vào thay đổi Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ. Xác định khoảng biến thiên đầu vào để diod Zener hoạt động như một ổn áp. Giải: RRL  1200 220 VVViMin Z .20  23,67 RL 1200 VL 20 IL   16,67 mA RL 1200 IIIRMax ZM L  60mA  16,67 mA  76,67 mA VIViMax RMax.R Z  76,67.103 .220  20  36,87V 11 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 4. Các ứng dụng của diode Zenner 4.1 Điều hoà áp ngõ ra khi áp ngõ vào thay đổi Ví dụ: Cho diode zener có thể điều hòa áp khi dòng qua zener thay đổi trong phạm vi từ : IZK = 0,25mA đến IZM =100mA . Biết R=220 , VZ =10V, xác định khoảng biến thiên đầu vào để diod Zener hoạt động như một ổn áp. Giải: 33 VIRVRMin ZK .  0,25.10 .220  55.10 VVVViMin  RMin  Z 0,055  10  10,055 3 VIRVRMax ZM .  100.10 .220  22 VVVViMax  RMax  Z 22  10  32 10,055 VVi  32 12 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 4. Các ứng dụng của diode Zenner 4.2 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi Trong hình trình bày mạch điều hòa điện áp dùng diode zener khi điện trở tải thay đổi giá trị. Diode zener duy trì điện áp đặt ngang qua hai đầu điện trở tải có giá trị gần như không đổi khi dòng qua diode zener có giá trị trong phạm vi IIIZK Z ZKM  Khi điện trở tải RL= , dòng qua tải bằng 0, tất cả dòng điện đều qua diode zener; ta nói mạch điều hòa điện áp đang hoạt động tại trạng thái không tải.  Khi điện trở được đấu song song với diode zener, trên các nhánh của zener và điện trở có các dòng điện đi qua. Dòng điện tổng qua điện trở giới hạn R cần có giá trị không đổi để điện áp trên hai đầu diode zener được ổn định. 13 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 4. Các ứng dụng của diode Zenner 4.2 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi Nếu ta giữ VI cố định, RL phải đủ lớn thì zenner mới hoạt động. Trị số tối đa của RL được xác định bởi dòng IZM : IIIIIIZ R  L  LMin  R  ZM VL RLMax  ILMin Trị số tối thiểu của RL để zener có thể hoạt động được xác định bởi: IIIIIIZ R  L  LMax  R  ZK VL RLMin  ILMax Nếu không đề cập đến IZK , ta coi như IZK =0, R.VZ RLMin  VViZ 14 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 3. Các ứng dụng của diode Zener 3.3 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi Ví dụ Cho mạch điện như hình vẽ.Xác định khoảng biến thiên của RL để điện áp VL luôn ổn định là 10V Giải: 3 RV. Z 1.10 .10 RLMin   250  VViZ50 10 V VV 50 10 IR iZ   40 mA R RR1.103 ILMin I R  I ZM 40  32  8 mA VL 10 RALMax  3 1250 ILMin 8.10 Vậy 250 RL  1250  15 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 3. Các ứng dụng của diode Zener 3.3 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi Ví dụ Cho mạch điện như hình vẽ.Xác định khoảng biến thiên của IL , giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của RL để duy trì tính ổn áp của diode Zener. Biết 1mA< IZ <50mA, VZ =12V 16 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 3. Các ứng dụng của diode Zener 3.3 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi Giải: Khi IL =0, dòng qua diode Zener đạt giá trị lớn nhất VV 24 12 IiZ   25,53 mA ZMax R 470 Vì giá trị tối đa của dòng qua diode Zener là IZMax < IZM nên giá trị RL = lả giá trị tối đa của tải và dòng nhỏ nhất qua tải là ILMin =0A 17 Chương 4: Điốt Zener Nhập môn Điện tử 3. Các ứng dụng của diode Zener 3.3 Điều hoà áp ngõ ra khi tải thay đổi Giá trị tối đa của dòng qua tải ILMax đạt được khi dòng qua diode Zener là IZK . VV I I  I iZ  I 25,53  1  24,53 mA LMax R ZKR ZK Giá trị cực tiểu của tải RLMin VL 12 RLMin  3 489,2  ILMax 24,53.10 18 Chương 4: Điốt Zener