Diode ổn áp là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Diode ổn áp hay còn gọi là Diode Zener là một trong những linh kiện điện tử phổ biến trong các mạch điện hiện đại. Với khả năng giữ ổn định điện áp trong các mạch điện, Diode Zener giúp bảo vệ các thiết bị khỏi hiện tượng quá áp, đồng thời đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.

Diode Zener (Diode ổn áp) là gì?

Diode Zener hay còn gọi là diode ổn áp là một loại diode bán dẫn có khả năng ổn định điện áp khi được phân cực ngược. Khác với điốt chỉnh lưu thông thường chỉ cho phép dòng điện chạy một chiều, diode ổn áp hoạt động hiệu quả khi được kết nối ở chế độ phân cực ngược, giúp giữ điện áp ở một mức nhất định khi đạt đến giá trị gọi là điện áp Zener.

Loại điốt này thường được sử dụng trong các mạch ổn áp để đảm bảo nguồn điện không bị ảnh hưởng bởi sự biến thiên điện áp đầu vào.

Cấu tạo của Diode Zener

Diode Zener được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn P-N ghép lại với nhau, tương tự như các diode thông thường. Tuy nhiên, điều đặc biệt ở diode Zener là tại vùng tiếp giáp giữa hai lớp bán dẫn, chúng được bổ sung thêm lớp silicon dioxide (SiO2). Lớp này giúp bảo vệ và ngăn ngừa nhiễm bẩn cho mối nối, từ đó tăng độ bền và hiệu quả hoạt động của diode.

Cấu trúc này cho phép diode Zener hoạt động ổn định trong môi trường có điều kiện khắc nghiệt, giúp các sản phẩm điện tử giữ được độ bền và tuổi thọ cao hơn.

Nguyên lý hoạt động của Diode ổn áp

Diode Zener hoạt động dựa trên nguyên lý phân cực ngược và khả năng ổn định điện áp của nó giúp bảo vệ mạch điện cũng như duy trì một mức điện áp cố định. Để hiểu rõ hơn, chúng ta cần xem xét hai chế độ hoạt động của diode: phân cực thuận và phân cực ngược:

Chế độ phân cực thuận: Khi một điện áp dương được đặt vào cực dương và điện áp âm vào cực âm của diode, nó sẽ dẫn dòng điện. Điện áp bật (forward voltage) của diode Zener, giống như các diode khác, nằm trong khoảng từ 0.3V đến 0.7V tùy vào loại vật liệu bán dẫn được sử dụng. Ở chế độ này, diode Zener không thể ổn định điện áp mà chỉ đơn thuần cho phép dòng điện đi qua khi điện áp đủ lớn.

Chế độ phân cực ngược: Khi đặt một điện áp ngược (cực dương nối vào cực âm và ngược lại), diode sẽ không dẫn điện cho đến khi điện áp đạt đến một giá trị nhất định, gọi là “điện áp Zener” (Zener voltage). Điện áp này thường được thiết kế để phù hợp với ứng dụng cụ thể, và khi điện áp đầu vào đạt đến hoặc vượt qua giá trị này, diode sẽ “đánh thủng” (breakdown) và bắt đầu dẫn dòng điện ngược.

Khi diode Zener bị phân cực ngược và điện áp đầu vào đạt đến điện áp Zener, dòng điện bắt đầu chạy qua diode một cách ổn định. Diode không phá hủy mà vẫn hoạt động bình thường trong quá trình này, điều chỉnh mức điện áp đầu ra một cách hiệu quả. Quá trình này giúp duy trì một mức điện áp cố định dù điện áp đầu vào có thể dao động, từ đó giữ cho mạch điện hoạt động ổn định và an toàn.0

Kết quả hoạt động trong mạch: Diode Zener sẽ tiếp tục điều chỉnh điện áp đầu ra và ngăn ngừa hiện tượng quá áp bằng cách chuyển dòng điện qua nó khi điện áp ngược vượt quá mức Zener.

Các thông số kỹ thuật Diode Zener cần chú ý

Khi sử dụng diode Zener, có một ký hiệu diot ổn áp quan trọng cần lưu ý:

• Điện áp Zener (Vz): Thường nằm trong khoảng 2.4V đến 200V. Đối với các thiết bị gắn trên bề mặt (SMD), điện áp tối đa thường không vượt quá 47V.
• Dòng điện Zener (Iz): Đây là dòng điện chạy qua diode khi điện áp đạt đến mức Zener, với giá trị tối thiểu từ 5mA đến 10mA và tối đa từ 200µA đến 200A.
• Công suất tiêu tán (P): Là công suất tối đa mà diode có thể chịu đựng mà không bị hư hại, thường từ 400mW đến 5W, tùy thuộc vào loại diode.
• Điện trở Zener (Rz): Điện trở này thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện chạy qua diode Zener khi diode đang hoạt động ở chế độ ổn định.

Điốt ổn áp (diode Zener) và điốt chỉnh lưu có những khác biệt gì?

Mặc dù cả điốt ổn áp (diode Zener) và điốt chỉnh lưu là linh kiện bán dẫn, nhưng chúng lại có nguyên lý hoạt động và vai trò khác nhau trong mạch điện. Việc hiểu rõ sự khác biệt giữa điốt ổn áp và điốt chỉnh lưu là rất quan trọng để lựa chọn đúng loại cho từng ứng dụng:

Diot ổn áp dùng để làm gì trong cuộc sống?

Diode Zener được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng, đặc biệt trong việc điều chỉnh và bảo vệ mạch điện.

• Bộ điều chỉnh điện áp: Giúp duy trì điện áp ổn định ở đầu ra, bất kể sự thay đổi của điện áp đầu vào, nhờ khả năng giữ điện áp tại giá trị cố định khi đạt đến mức điện áp Zener.
• Bảo vệ quá áp: Khi điện áp đầu vào vượt quá ngưỡng điện áp Zener, diode sẽ dẫn dòng điện, làm ngắn mạch xuống đất và ngắt nguồn điện giúp ngăn chặn tình trạng hỏng hóc thiết bị đo điện áp quá mức.
• Mạch cắt: Diode Zener cũng thường được sử dụng trong các mạch cắt để kiểm soát và định hình các dạng sóng điện áp AC. Mạch cắt này giới hạn hoặc loại bỏ các phần nguy hiểm của dạng sóng, giúp bảo vệ thiết bị khỏi các biến động điện áp bất thường.
• Mạch tham chiếu điện áp: Ở những hệ thống đo lường hoặc điều khiển tự động, Diode Zener giúp duy trì điện áp ổn định, đảm bảo kết quả chính xác.

Diode Zener với khả năng ổn định điện áp hiệu quả, đã trở thành một trong những linh kiện không thể thiếu trong các mạch điện tử. Không chỉ đảm bảo hoạt động an toàn cho các thiết bị, diode Zener còn giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống điện.

Đối với những doanh nghiệp như HANSINCO, sự đổi mới và nghiên cứu liên tục giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, mang đến các giải pháp ổn áp, biến áp phù hợp với nhu cầu thị trường. Với công nghệ tiên tiến được đầu tư từ các nước như Đức, Đài Loan, Nhật Bản, HANSINCO luôn cam kết mang đến cho khách hàng những sản phẩm chất lượng cao, phù hợp với điều kiện điện áp tại Việt Nam, đảm bảo hiệu quả và an toàn cho mọi ứng dụng điện tử và công nghiệp.