Zener dioda, još i Cener dioda, je silicijumska poluprovodnička dioda, čiji je probojni napon u inverznom režimu rada značajno manji nego kod standardnih dioda. Napon proboja diode pri inverznoj polarizaciju se često zove Zenerov napon. Namena Zener diode je za stabilizaciju i ograničavanje napona.
Američki naučnik, Klarens Zener, je objasnio kako se kod poluprovodničkih dioda sa velikom koncentracijom nečistoća povećava provodnost u inverznom režimu rada usled tuneliranja elektrona iz valente u provodnu oblast. Ova pojava dominira u diodama sa inverznim naponom proboja samo do 5 volti. Kod diode sa većim probojnim naponom imamo efekat lavine, pojava da električno polje ubrza elektrone toliko da udarom o atome iz valentne oblasti izbijaju nove elektrone u provodnu oblast, ali uobičajeno je da se i takve diode takođe nazivaju zener diodama, dok se naziv probojna dioda koristi samo kad imamo više napone.
Kod Zenerevog efekta temperaturni koeficijent je negativan, a kod lavinskog efekta je pozitivan, pa je ukupan temperaturni koeficijent najmanji za diode sa zener naponom od oko 5 volti, jer su tada oba efekta ujednačena.
Kod Zenerovog (lavinskog) proboja održava se stalan napon, koji praktično ne zavisi o struji kroz diodu.
Slika br.1 Simbol Zener diode i druge izvedbe
Na slici br.2 na ulaz uređaja spojen je promenljivi sinusnim napon. Kad je ulazni napon negativan, Zenerova dioda je propusno polarizirana i na njoj je mali napon −Uf. Uz pozitivni ulazni napon manji od napona Uz dioda je suprotno polarizirana i na njoj je napon izvora. Kad ulazni napon dobije vrednost veću od Uz, dioda prelazi u stanje lavinskoga proboja i na njoj je stalan napon Uz.
Slika br.2 Pobuda Zenerove diode sa sinusnim naponom
Vrednosti probojnog napona Zenerovih dioda može se kontrolisati u toku procesa proizvodnje. To omogućuje da se proizvode diode s probojnim naponima od nekoliko volta do nekoliko stotina volta. Diode s probojnim naponom manjim od 5 V nemaju oštro izražen
probojni napon i imaju negativan temperaturni koeficijent (s porastom temperature smanjuje se Zenerov napon). Diode sa Zenerovim naponom višim od 5 V imaju pozitivan temperaturni koeficijent (s porastom temperature raste Zenerov napon).
Slika br.3 Strujno-naponska karakteristika Zenerove diode
Diode s većim probojnim naponom imaju veći unutrašnji otpor. Unutrašnji otpor Zenerove diode je odnos promene napona na diodi i promene struje kroz diodu koja je dovela do promene napona:
\(r_z=\frac{\Delta Uz}{\Delta Iz}\)
Zenerove diode upotrebljavaju se kao stabilizatori i ograničavači napona. Prilikom odabira Zenerovih dioda potrebno je voditi računa o najvećoj dopuštenoj struji diode u Zenerovu području Iz, odnosno o dopuštenu utrošku snage. Iznosi dopuštenih utrošaka snage kreću se od nekoliko stotina mW do nekoliko desetaka W.
Primena Zener diode za stabilizaciju napona
Slika br.4 Stabilizacija napona sa Zenerovom diodom
Primer upotrebe Zenerove diode pokazan je na slici br.4. Reč je o najjednostavnijoj izvedbi stabilizatora napona. Izlazni je napon ovoga stabilizatora Zenerov napon Uz. Kako promene struje Iz neznatno menjaju napon Uz, izlazni napon može se smatrati stalnim. Promena ulaznog napona uzrokuje promenu struje Zenerove diode Iz. Zato se menja pad napona na otporniku R, pa je izlazni napon gotovo konstantan.
\(U_{iz}=Uu-I*R=Uz\)
\(I=Iz+Ip=Iz+\frac{Uz}{Rr}\)
Otpornik R služi za ograničenje struje Zenerove diode. Kad je stabilizator neopterećen, sva struja iz izvora teče kroz Zenerovu diodu pa otpornik R treba odabrati tako da ta struja ne prelazi dopuštenu vrijednost, kako ne bi došlo do oštećenja diode:
\(R=\frac{Uul-Uz}{I}\)
Kako proveriti napon stabilizacije i da li je ispravna Zener dioda?
U slučaju da se izbrisala oznaka sa Zener diode ili da ne poznajemo način oznacavanja pomoću boja (prstenova), možemo na jednosatavan način odrediti inverzni napon (napon stabilizacije). Potreban je promenljivi izvor jadnosmernog napona (na primer od 0 do 12 V) i voltmetar.
Jednosmernom izvoru napona priključimo inverzno polarisanu diodu, tj. anodu diode na minus-pol, a katodu na pozitivni pol. Paralelno diodi vezemo voltmetar tako da mozemo pratiti šta se dešava pri porastu napona.
Postupak je sledeci: polako povećavamo napon izvora i pratimo skretanje instrumenta. Napon na krajevima diode će polako rasti sa promenom napona izvora. Ako je dioda ispravna, napon će rasti do neke određene vrednosti, na primer 8.2V i potom će prestati (ili će vrlo malo porasti sa daljom promenom napona). To znači da je napon stabilizacije 8.2V.
U slučaju da napon neprestano raste sa porastom napona jednosmernog izvora napajanja, to znači da je dioda u prekidu ili da je napon stabilizacije veći od napona koji izvor može dati (u ovom slučaju 12 V). U slučaju da sa porastom napona izvora napon na diodi ima stalno vrednost nula ili vrlo blisku nuli – dioda je u kratkom spoju.
