#12 ديود زينر — منظّم الجهد ومثال محلول

تجد أدناه جميع الأسطر المكتوبة في الدفتر مع النص الكامل للشرح الصوتي.

1. 1. لماذا نستخدم زينر؟

   

   الهدف: جهد ثابت مع تغير الظروف

   الديود العادي ← تشكيل وتقويم

   ديود زينر ← حد للجهد ومرجع

   الآلية: انهيار عكسي متحكم به

   النتيجة: تحليل كامل لحملين

   نص الشرح الصوتي

   أهلاً بكم من جديد. حتى الآن كانت ديوداتنا تُشكِّل الإشارات. هذا الديود له مهمة مختلفة تماماً، وهي بصراحة من أكثر الحيل فائدةً في الإلكترونيات: تثبيت الجهد ثابتاً تماماً. تخيّل هذا. مصدر التغذية لديك يتأرجح. ستة عشر فولت الآن، وأكثر قليلاً لاحقاً، وأقل قليلاً بعد ذلك. لكن الدائرة التي تُغذّيها تحتاج جهداً ثابتاً تماماً لا يتحرك أبداً. إذاً، إليك السؤال. هل يمكن لمكوّن واحد رخيص أن يعمل كالجدار، فمهما دفعت بقوة يرفض أن يدع الجهد يتجاوز قيمة محددة؟ نعم، إنه ديود زينر. والحيلة وراءه شيءٌ لطالما اعتبرناه عطلاً: الانهيار العكسي. لنرَ لماذا هذا العطل هو في الحقيقة هديّة.

2. 2. الانهيار العكسي المتحكم به

   

   أمامياً: كديود عادي، ≈ 0.7 V

   عكسياً: التيار صغير في البداية

   $|V_{\mathrm{D}}| = V_{\mathrm{Z}} ← انهيار متحكم به$

   في الانهيار: ΔI_Z كبير وΔV_Z صغير

   الشرط: I_Z وP_Z ضمن الحدود

   نص الشرح الصوتي

   لنتذكر كيف يتصرف الديود العادي، وأنتم تعرفون معظم هذا. في الاتجاه الأمامي يوصل بعد حوالي 0.7 فولت. وفي الاتجاه العكسي يمنع التيار، إلى أن يصبح الجهد العكسي كبيراً جداً فينهار الديود ويندفع التيار فجأة. في الديود العادي هذا الانهيار مُدمِّر، يُتلف القطعة. وهنا الجزء الذكي. ديود زينر مصنوع عمداً لينهار، عند جهد عكسي منخفض ومحدد بدقة نسميه جهد زينر V z، وليبقى هناك بأمان طالما لم نسمح بمرور تيار كبير جداً. رمزه ببساطة ديود مع شريط مثني على شكل حرف Z عند الكاثود، وهذا الـ Z تذكيرٌ لك. والحقيقة الوحيدة التي تجعل كل شيء يعمل: ما إن يدخل الزينر في الانهيار، يبقى الجهد عبره ثابتاً تقريباً عند V z، مهما بلغ التيار المار. تمسّك بهذه الفكرة، فهي السبب الكامل في فائدة الزينر.

3. 3. منحنى زينر I–V

   

   اليمين: توصيل أمامي ≈ 0.7 V

   اليسار: منطقة المنع العكسي

   $V_{\mathrm{D}} = -V_{\mathrm{Z}} ← انعطاف حاد$

   الفرع الحاد ← جهد شبه ثابت

   التنظيم: V_D ≈ V_Z

   نص الشرح الصوتي

   لنرَ ذلك فعلاً على منحنى التيار والجهد. التيار على المحور الرأسي، والجهد على المحور الأفقي. إلى اليمين الاتجاه الأمامي: كأي ديود، يوصل الزينر قرب 0.7 فولت ويرتفع التيار بسرعة. الآن الجزء المثير، إلى اليسار، منطقة العكس. في البداية، كلما ذهبنا أكثر نحو السالب، لا يكاد يمر أي تيار، الديود يمنع فقط. لكن في اللحظة التي نصل فيها إلى جهد زينر، هنا عند سالب عشرة فولت، ينحني المنحنى بحدّة ويهبط عمودياً تقريباً. وهذا هو الجزء الذي يجب أن تراقبه جيداً. تابع نقطة التشغيل بينما يزداد التيار: تنزلق بعيداً نحو الأسفل على هذا الخط الحاد، التيار يتغير كثيراً، لكن انظر إلى الجهد تحته: يكاد لا يتحرك. يبقى مثبَّتاً حول عشرة فولت. هذا الجدار شبه العمودي هو الفكرة بأكملها: مدى تيار هائل، لكن جهد شبه ثابت. وهذا بالضبط ما نريده من مرجع جهد.

4. 4. تشبيه مفيض الماء

   

   مستوى الماء ↔ جهد الخرج

   ارتفاع المفيض ↔ V_Z

   المستوى < V_Z ← زينر OFF

   الماء الزائد ↔ تيار I_Z

   المستوى الثابت ↔ جهد منظّم

   نص الشرح الصوتي

   إليك طريقة لتتخيّلها. تخيّل خزّاناً يُملأ بالماء. مستوى الماء هو جهدنا. على جانب الخزّان قناة تصريف فائض، أي مفيض، عند ارتفاع ثابت. هذا الارتفاع هو جهد زينر. ما دام المستوى أقل من المفيض، لا يفيض ماء، والزينر مغلق. لكن ما إن يصل المستوى إلى المفيض، أي ماء إضافي يفيض ببساطة ويجري بعيداً. لا يستطيع المستوى أن يرتفع فوق المفيض، مهما صببنا بسرعة. الماء الفائض هو تيار زينر. والمستوى الثابت هو جهدنا المنظَّم. هكذا تماماً يُبقي الزينر الخرج ثابتاً.

5. 5. اختبار توصيل المنظّم

   

   الدائرة: R متسلسل وD_Z ∥ R_L

   الفخ: لا تفترض V_L = V_Z

   انزع زينر: V_test = V_i R_L/(R + R_L)

   V_test < V_Z ← D_Z OFF

   V_test ≥ V_Z ← D_Z ON، V_L ≈ V_Z

   القاعدة: اختبر أولاً ثم ثق

   نص الشرح الصوتي

   الآن لنبنِ منظّماً حقيقياً. نضع مقاومة على التوالي R بين الدخل وعقدة الخرج. وعبر الخرج نوصل الزينر، وعلى التوازي معه مقاومة الحمل R L. المقاومة تتحكم بكمية الماء التي نصبّها، والزينر هو المفيض. الآن، إليك أكبر خطأ يقع فيه الناس مع الزينر: يرون زينر فيفترضون أن الخرج دائماً V z. لا تفعل. أحياناً لا يكون الزينر موصلاً أصلاً. لذا قبل أي شيء، اسأل سؤالاً واحداً في كل مرة: هل الزينر موصِّل فعلاً؟ إليك الاختبار. انزع الزينر ذهنياً، وجِد جهد الدارة المفتوحة عند العقدة باستخدام مقسم الجهد: V يساوي V i ضرب R L، على R زائد R L. ثم قارن. إذا كان هذا الجهد أكبر من أو يساوي V z، يوصل الزينر ويُثبَّت الخرج عند V z. أما إذا كان أقل من V z، يبقى الزينر مغلقاً، لا فيضان، والخرج ينجرف مع الحمل، غير منظَّم. إذاً، اختبر أولاً، ثم ثِق. احفظ هذه القاعدة، لأن حالتنا الأولى ستتعثّر بها.

6. 6. المعطيات وحد القدرة

   

   $V_{\mathrm{i}} = 16 V,\; R = 1 k\Omega,\; V_{\mathrm{Z}} = 10 V$

   P_Z,max = 30 mW

   $I_{\mathrm{Z,max}} = P_{\mathrm{Z,max}}/V_{\mathrm{Z}}$

   I_Z,max = 30 mW/10 V = 3 mA

   R_L: 1.2 kΩ و3 kΩ

   المطلوب: V_L وV_R وI_Z وP_Z

   نص الشرح الصوتي

   إليك دائرتنا. الدخل ثابت ستة عشر فولت. المقاومة على التوالي R واحد كيلو أوم. جهد زينر عشرة فولت. والحد الأقصى لقدرته ثلاثون ميلّي واط. قبل أن نلمس الأحمال، لنستخرج رقماً واحداً من حد القدرة هذا: أكبر تيار يستطيع الزينر تحمّله بأمان. القدرة تساوي الجهد ضرب التيار، إذاً التيار يساوي القدرة على الجهد. I z max يساوي ثلاثين ميلّي واط على عشرة فولت. ثلاثون على عشرة يساوي ثلاثة، وميلّي واط على فولت يعطي ميلّي أمبير، إذاً I z max يساوي ثلاثة ميلّي أمبير. احتفظ بهذا، سنتحقق منه في النهاية. الآن السؤال: جِد جهد الحمل، وجهد المقاومة، وتيار زينر، وقدرة زينر، لحملين مختلفين. أولاً حمل 1.2 كيلو أوم. ثم حمل ثلاثة كيلو أوم.

7. 7. الحالة أ — زينر مغلق

   

   $R_{\mathrm{L}} = 1.2 k\Omega$

   $V_{\mathrm{test}} = 16\cdot 1.2/(1 + 1.2) = 8.73 V$

   8.73 V < 10 V ← D_Z OFF

   I = 16/(1 + 1.2) kΩ = 7.27 mA

   $V_{\mathrm{L}} = 8.73 V;\; V_{\mathrm{R}} = 7.27 V$

   $I_{\mathrm{Z}} = 0;\; P_{\mathrm{Z}} = 0$

   حمل ثقيل ← العقدة تحت 10 V ولا تنظيم

   نص الشرح الصوتي

   الحالة أ. الحمل 1.2 كيلو أوم. اختبر أولاً، كما اتفقنا. انزع الزينر، وجِد جهد العقدة بمقسم الجهد. لنفعلها خطوة خطوة. المقام أولاً: واحد زائد 1.2 يساوي 2.2. البسط: ستة عشر ضرب 1.2 يساوي 19.2. الآن اقسم: 19.2 على 2.2 يساوي 8.73 فولت. الآن المقارنة المهمة جداً. هل 8.73 أكبر من عشرة؟ لا. إنه أقل. إذاً الزينر لا يوصل أبداً. يبقى ساكناً، مغلقاً. وما دام الزينر مغلقاً، فهذه ليست سوى دائرة توالٍ بسيطة: الدخل، وR، وR L، على خط واحد. التيار يساوي الدخل على المقاومة الكلية: ستة عشر على 2.2 كيلو أوم. انتبه للوحدة. إنها كيلو أوم، إذاً تكون النتيجة بالميلّي أمبير. ستة عشر على 2.2 يساوي 7.27 ميلّي أمبير. جهد الحمل يساوي هذا التيار ضرب الحمل: 7.27 ميلّي أمبير ضرب 1.2 كيلو أوم. ميلّي أمبير ضرب كيلو أوم يعطي فولت، إذاً هو 8.73 فولت، نفس جهد العقدة، تماماً كما يجب. المقاومة تأخذ ما تبقّى: ستة عشر ناقص 8.73 يساوي 7.27 فولت. والزينر؟ لا تيار. إذاً تيار زينر صفر، وقدرة زينر، عشرة ضرب صفر، تساوي صفراً. انظر ماذا حدث. كان الحمل ثقيلاً بما يكفي ليسحب العقدة تحت عشرة فولت، فتلاشى التنظيم. هذا هو الفخّ. لو كتبت بتسرّع أن الخرج يساوي عشرة فولت، لكنت مخطئاً.

8. 8. الحالة ب — زينر موصل

   

   $R_{\mathrm{L}} = 3 k\Omega$

   $V_{\mathrm{test}} = 16\cdot 3/(1 + 3) = 12 V$

   12 V > 10 V ← D_Z ON؛ V_L = 10 V

   V_R = 6 V؛ I_R = 6 mA

   I_L = 10/3 kΩ = 3.33 mA

   I_Z = I_R − I_L = 2.67 mA

   P_Z = 10·2.67 = 26.7 mW < 30 mW

   نص الشرح الصوتي

   الحالة ب. الآن حمل أخفّ، ثلاثة كيلو أوم. نفس الاختبار. انزع الزينر. مقسم الجهد يعطي ستة عشر ضرب ثلاثة على واحد زائد ثلاثة. المقام: واحد زائد ثلاثة يساوي أربعة. البسط: ستة عشر ضرب ثلاثة يساوي ثمانية وأربعين. اقسم: ثمانية وأربعون على أربعة يساوي اثني عشر فولت. قارن. هل اثنا عشر أكبر من عشرة؟ نعم. إذاً هذه المرة يوصل الزينر، ويُثبِّت الخرج. جهد الحمل عشرة فولت، مُقفَل. المقاومة تأخذ الباقي: ستة عشر ناقص عشرة يساوي ستة فولت. الآن التيار عبر R: ستة فولت على واحد كيلو أوم. كيلو أوم مجدداً، إذاً ميلّي أمبير. ستة على واحد يساوي ستة ميلّي أمبير. الحمل يسحب حصته: عشرة فولت على ثلاثة كيلو أوم يساوي 3.33 ميلّي أمبير. والزينر يبتلع الفرق. هذا ببساطة قانون كيرشوف للتيار عند العقدة: التيار الداخل يساوي التيار الخارج. ستة ناقص 3.33 يساوي 2.67 ميلّي أمبير. لاحظ الحجم. بضعة ميلّي أمبير، تماماً ما تتوقعه لزينر صغير. لو حصلت على أمبيرات، لعرفت أن كيلو قد ضاع. الخطوة الأخيرة، القدرة: V z ضرب I z، عشرة فولت ضرب 2.67 ميلّي أمبير، يساوي 26.7 ميلّي واط. ودائماً، دائماً تحقّق منها مقابل الحد. 26.7 أقل من ثلاثين، إذاً الزينر آمن. الخرج منظَّم عند عشرة فولت نظيفة. تحذير واحد: لو خرجت تلك القدرة أكبر من ثلاثين ميلّي واط، لاحترق الزينر، والحل هو مقاومة توالٍ أكبر لتقييد التيار.

9. 9. خوارزمية الحل

   

   1) انزع زينر وأوجد V_test

   2) قارن V_test مع V_Z

   3) ON: V_L ≈ V_Z؛ OFF: نتيجة المقسم

   4) افصل التيارات: I_R = I_L + I_Z

   $5) افحص P_{\mathrm{Z}} = V_{\mathrm{Z}} I_{\mathrm{Z}} وحد القدرة$

   أ: لا تنظيم؛ ب: تنظيم عند 10 V

   نص الشرح الصوتي

   لنجمع كل شيء. ديود زينر هو ديود مصنوع ليعمل في الانهيار العكسي، حيث يكاد جهده لا يبتعد عن V z. هذا يجعله مرجع جهد، كمفيض يثبّت مستوى الماء. ولاستخدامه كمنظّم، لا تتخطَّ الاختبار أبداً: انزع الزينر، جِد جهد المقسم، وقارنه بـ V z. رأينا النتيجتين. الحمل الثقيل 1.2 كيلو أوم ترك الزينر مغلقاً، فانهار التنظيم. والحمل الأخفّ ثلاثة كيلو أوم شغّله، فأقفل الخرج عند عشرة فولت، بأمان تحت حد قدرته. سطرٌ واحد لتتذكّره: اختبر أولاً، ثم ثِق. في المرة القادمة نجعل الأمر أصعب: نصمّم منظّماً عليه أن يبقى ثابتاً بينما يتغير كلٌّ من الحمل وجهد الدخل.

الفيديو المصدر: أساسيات الإلكترونيات #12 | ديود زينر: منظّم الجهد (مقدمة + مثال محلول) (11:00)