Zener Diyot Nedir?

Elektronik

Zener diyot

Ters polarma gerilimi altında sabit çıkış gerilimi veren gerilim regülasyonunda kullanılan diyotlardır. P ve N tipi iki yarı iletkenin birleşmesinden zener diyot meydana gelmiştir. Zener (zenner, gerilim sabitleyici, regüle) diyotun esas görevi uçlarına uygulanan gerilimi sabit tutmaktır.  P ve N tipi yarı iletken malzemelerden meydana gelen zener diyot, silikon yapılıdır.

Zener diyot adını icat eden Clarence Zener’ den almıştır. Zener diyot ilk defa 1934   yılında üretilmiştir. İlk devre görevi elektronik elemanları koruma olmuştur.

Zener Diyot Sembolleri

Normal diyotlara göre, zener diyotlar da kullanılan P ve N tipi yarı iletkenlerin “katkı madde” oranları doğrultmaç diyotlarından daha yüksektir. Diyot çeşitlerinden biri olan zener diyotlar belli bir gerilim değerine kadar akım geçirmezler. Zener diyoda uygulanan gerilim artıkça diyot büyük bir direnç gösterir ve mA seviyesinde akım geçirir.  Gerilim belirli bir seviyeye gelince, aniden diyottan ters yönde akım geçmeye başlar. Bu gerilimin değerine zener gerilimi veya  kırılma gerilimi denir. V_z ile tanımlanır. Gerilim artmaya devam edilirse akım da artar ancak zener uçlarındaki gerilim sabit kalır. Normal bir diyot ise ters polarma altında zener geriliminden sonra delinir.

Zener Diyot Çalışma Prensibi

Diyota uygulanan gerilimin belirli değere ulaşması durumunda, ters yönde akım geçirmesi prensibine göre zener diyot imalatı yapılır. Devrede ters polarma yapılacak şekilde kullanılır. Uçlarına uygulanan gerilim (V), değişse de zener gerilimi (Vz) daima sabit kalır. Bundan dolayı Vgiriş ≥ Vz olmalıdır. Eğer gerilim Vz’ye ulaşamazsa zener diyot akım geçirmez.

Zener diyotlar ters polarlamada çalıştıkları için devreye ters bağlanırlar. Kırılma (zener) noktası adı verilen voltaj düzeyine gelindiğinde ise aniden iletkenleşirler.

Zener noktası (kırılma gerilimi) değeri üretim aşamasında katkı maddesi miktarı ayarlanarak belirlenir. Üretici firmalar 2 volttan 200 volt değerine kadar zener diyot üretirler. Bu voltaj değeri üretim aşamasında katkı maddesi miktarına göre ayarlanır. Belirli bir gerilime kadar akım geçirmeyen zener diyot, elektronik devre elemanlarının korumasında önemli rol oynar.

Zener diyotlar devreye doğru yönde (polarmalı) bağlandığında normal diyot gibi çalışır. Gerilim yavaş yavaş arttırıldığında diyottan geçen akımın arttığı görülür.

Zener Diyodun Doğru Polarmada Çalıştırlması

Zener diyot devreye ters yönde (polarmalı) bağlandığında (kırılma gerilimine) gerilim yavaş yavaş arttırıldığında diyottan geçen akımın belli bir gerilim değerine kadar az olduğu, gerilim değeri zener diyodun üst sınır noktasını aştığında geçen akımın aniden çok yüksek bir değere ulaştığı görülür.

Zener Diyodun Ters Polarmada Çalıştırılması

Zener gerilimi prensibiyle çalışır ve bağlı olduğu elemana elektriksel olarak koruma sağlar. Kırılma gerilimi aşıldığında ise akım geçirir ve iletime geçer. Ters gerilim kalkınca, zener diyot da normal haline döner.  Zener diyotların doğru polarma ve ters polarmada çalıştırılması durumunda elde edilen karakteristik eğrisi verilmiştir.

Zener diyotların çalışma voltajları 1-200Volt arasındadır. Örnek olarak; voltaj değeri 24 Volt olan bir zener diyot üzerine uygulanan ters gerilim 24 Volt olduğunda diyot akım geçirmez. Gerilim 24 Volt’u aştığı zaman zener diyot aniden iletken duruma geçerek, akım geçirmeye başlar. Bu sırada zener diyota paralel olarak bir voltmetre bağlanıp ölçüm yapılırsa, diyot üzerinde 24 Volt’luk bir gerilim düşümünün olduğu görülür. Zener diyot, ters yönde çalışırken meydana gelecek aşırı akımdan dolayı bozulur. Zener diyotlar düşük akımlı olduklarından bozulmaması için devresine her zaman seri koruyucu direnç bağlanır.

Zener diyotlar ters bağlandığında belli bir gerilimden sonra iletken olurlar. Bunun sebebi P-N maddeleri ters yönde polarma edildiğinde ters yönde küçük bir sızıntı akımı meydana gelir. Bu sızıntı akımı küçük oluğu için yok kabul edilebilir. Fakat, ters yönlü olarak uygulanan gerilim belli bir değeri aştığında diyot ters yönde iletime geçer. Diyotun ters yönde akım geçirmesi yarı iletken yapısından oluşur.

Zener diyota uygulanan ters polarma da gerilim  büyüdükçe, serbest elektronlara verilen enerji artar. Bu elektronların çarpma etkisiyle de birçok elektron valans bandından iletkenlik bandına atlayarak geçen akımın artmasına sebep olur.

Zener Diyot Özellikleri

Zener bölgesinin özelliği katkılama oranının değiştirilerek ayarlanmasıdır. Katkılama oranında artış yapılırsa zener potansiyeli düşer. Zener potansiyeli 2,4 Volt arasında bulunan ve 0,5Watt ile 50Watt arasında değişen güç değerine sahip olan zener diyot üretimi yapılır. Zener diyotların yapısında daha yüksek sıcaklık ve akım kapasitesi sebebi ile genel olarak silisyum kullanılır.

Çalışma ortamı sıcaklığı arttıkça zener gerilimi küçülür. Zener diyotlar uçlarındaki gerilimi sabit tutma özelliklerinden dolayı genel olarak regüle devrelerinde kullanılır. Zener diyotlar doğru polarlama yapılırsa  normal diyot gibi çalışır.

Zener noktası  belirlenmesi diyotun üretim aşamasına bağlıdır. Diyot üretimi sırasında kullanılan katkı maddesine göre zener noktaları değişkenlik gösterebilir. Zener diyotlar genel olarak zener gerilimleri ile bilinirler. 20Volt’luk zener diyot, 20Volt zener gerilimine karşılık gelmektedir.

Zener Gerilimi Çalışma Geriliminin Belirlenmesi

Zener diyodun çalışma geriliminin belirlenmesinde, bir gerilim kaynağına seri olarak direnç ve zener diyot bağlanır. Zener diyodun iki ucuna üzerine düşen gerilimi ölçmek için de voltmetre kullanılır. Kaynak gerilimi 0’dan başlayarak yavaş yavaş arttırılır. Kaynak gerilimi arttırılmasına karşın diyot üzerine düşen gerilim, voltmetre ile ölçülür. Bir süre sonra değer sabit kalır.  Bu sabit gerilim çalışma (zener) gerilimidir.

Zener diyotların ters polarma da iletime geçme gerilimleri değişik olarak imal edilir. (3 V, 4 V, 6 V, 7,5 V, 9V, 12 V vs.).Ters polarma gerilimi üzerinde yazan gerilime geldiğinde iletime geçer. Düz polarma da ise ters polarma gerilimi farklı bütün silisyum zener diyotlar 0,6–0,8 voltta iletime geçer. Sağlamlık kontrolü diğer diyotlar da olduğu gibi ohmmetre ile yapılır.

Zener Diyot Katalog Bilgileri

Zener diyot uygulamalarında zener gerilim, katalog bilgisi olarak verilir. Yalnız bozulma veya değişim gibi durumlarda belirtilen yöntem uygulanır.

Zener Diyot Kataloğunda Verilen  Bilgiler

• Gücü
• Ters yön gerilimi(V_Z),
• Maksimum ters yön akımı(I_ZM),
• Ters yöndeki maksimum kaçak akımı,
• Maksimum direnci
• Sıcaklık sabiti.

Aşağıdaki aralık değerlerinde çalışan zener diyotlar üretilmektedir.

• Maksimum zener akımı (IZM): 12A
• Zener gerilimi (VZ): 2 – 200V arası
• Maksimum gücü: 100Watt
• Maksimum ters yön kaçak akımı: 150µA (mikro amper)
• Maksimum çalışma sıcaklığı: 175°C.

Çalışma ortamı sıcaklığı arttıkça zener gerilim küçülür. Diyot firmaları tarafından üretilen zener diyot fiyatları da limit değerlerine göre değişir.

Zener Diyot Nasıl Ölçülür?

Zener diyot ölçümü yaparken; zener diyotun çalışıp çalışmadığı ve kırılma gerilimi şekildeki bağlantı ile öğrenilebilir. Aşağıdaki devreye 9 voltluk zener bağlanmıştır. Zener diyot uygulamalarında, uygulanan gerilimin 9Volt olma koşulu yoktur. Ancak zener diyodun kırılma geriliminden büyük bir gerilim uygulanmaz. Zenerin üzerinden 5-20 mili amper (mA) arasında bir akım geçecek şekilde bir değerde direnç seçilebilir. 12 volt gerilim uygulandığında zener diyottan bir akım geçer. Geçen akım R direncinde 3 voltluk bir gerilim düşümü meydana getirir. 12 volt besleme gerilimin 3 voltu direnç üzerinde düşerken 9 voltu zener diyot uçlarındadır.

Zener Diyodun Devreye Bağlanması

Diyot şekildeki gibi bağlanıp gerilimini ölçüldüğünde 2.4Volt, 3Volt, 6Volt gibi bir değer okunmalıdır. Bu değer diyotun kırılma gerilim değeridir. Diyot ileri yönde bağlarsanız üzerindeki gerilim 0.7 V civarında olacaktır.

Zener Diyot Sağlamlık Kontrolü

Diyotun sağlamlık testinin avometre ile yapılması;

Zener Diyot Sağlamlık Kontrolü

Zener diyot sağlamlık kontrolü yapılırken, sağlam olup olmadığını test etmek için normal diyotta olduğu gibi avometrenin buzer kademesinde düz polarma yapılır.

• İlk önce avometre diyot moduna alınır.
• Avometrenin probları diyotun iki bacağına temas ettirilir.
• Daha sonra problar ters şekilde diyotun bacaklarına temas ettirilir.
• Her iki durumda da büyük yada her iki durumda da küçük değer okunursa diyot bozuktur.
• Eğer bir durumda büyük, diğer durumda küçük değer okunursa diyot sağlamdır.

Örnek Devre

Zener Diyot Sağlamlık Kontrolü

Örnek devre de 10 Volt’ luk zener bir devreye ters bağlanmış ve 10Volt’ tan sonraki kısım direnç üzerinde durmuştur.

Zener Diyot Kullanım Alanları 

Sabit bir referans gerilim sağlamak için veya koruma amacı ile uygulama alanı bulan zener diyot, birçok elektronik devrede kullanılır. Bundan dolayı gerilim sabitleme, sinyal kırpma, (sinyal azaltma) elektronik eleman koruma görevlerini üstlenen birçok devrede zener diyot vardır. Piyasada değişik gerilim değerlerine sahip zener diyot çeşitleri bulunur. Zener diyodu yüksek akıma karşı korumak için direnç ile seri bağlanır.

Zener diyot kırpıcı devrelerde de kullanılır. İki zener diyot ters bağlandığı zaman etkili bir kırpma devresi meydana gelir. Ayrıca zener diyot, DC devrelerde gerilim regülasyonu amacı için de kullanılır. Zener diyotlarla “seri”, “basit paralel”,”şönt” ve “hata yükselteçli” regüle devreleri yapılmaktadır. Bu devrelerin fonksiyonları, giriş geriliminin değişmesine karşın çıkış gerilimini sabit tutmaktır.

Zener diyotlu regülatör de, zener diyodun belirli bir ters gerilimden sonra iletime geçme özelliğinden faydalanılır. Zener diyot, yük direncine ters yönde paralel olarak bağlanır. Yüke gelen gerilim belirli bir değeri geçince zener diyot iletime geçer ve devreden geçen akımı arttırır. Bu akım, devreye bağlanan seri dirençteki gerilim düşümünü arttırdığı için yüke gelen gerilim sabit kalır.

Zener diyot yapısından dolayı, diyot uçlarına uygulanan gerilim zener geriliminden fazla dahi olsa, zener uçlarında sabit bir gerilim oluşur. Sadece zener diyodun regülasyon yapabilmesi için uçlarına zener geriliminden daha fazla gerilim uygulanmalıdır.

Zener diyoda paralel bir kapasitör bağlanırsa dalgalanmaları ve parazitleri mümkün olduğunca azaltır.
Ölçü aletlerinde de zener diyot kullanılır. Ölçü aletinin maksimum ölçebileceği gerilim değerinde zener gerilimine sahip bir zener diyot paralel bağlandığı zaman cihaz, gelebilecek yüksek voltajlardan korunur. Ayarlamak için de potansiyometre de konulur.

Zener diyot, rölelerin bir gerilimde çalışması için de kullanılır. Bu durumda röle, zener gerilimini aşan gerilimler de çalışır.

Zener Diyotların Kodlanması:

Zener diyotların üzerinde teknik özellikleri açıklayıcı çeşitli harf ve rakam kodlamalar bulunur.

Örneğin; BZY85C9V1 kodlu diyotun özellikleri şöyledir:

Tolerans değerini gösteren diğer harfler,

A: ± % 1. B: ± % 2. D: ± % 10.

85: Firmanın üretim numarasını belirtir.

B: Silisyumdan yapılmıştır.

Z: Zener diyottur.

Y: Doğrultmaç devrelerinde kullanılır.

C: Elemanın hata oranı ± % 5’dir.

9V1: Zener diyotun gerilim değeridir.