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वोल्टेज रेफरेंस के रूप में ज़ेनर डायोड: ये क्या अच्छा करते हैं और कहाँ कम पड़ते हैं

डायोड रेफरेंस क्यों बनाता है

एक सामान्य सिलिकॉन डायोड फॉरवर्ड दिशा में चालू होता है और रिवर्स में रुक जाता है, लेकिन रिवर्स ब्रेकडाउन एक अलग अवस्था है। ज़ेनर को एक खास रिवर्स वोल्टेज पर ब्रेकडाउन होने के लिए बनाया जाता है, और उस बिंदु के बाद इससे गुजरने वाला करंट बदलने पर भी इसका वोल्टेज एक तय मान के पास रहता है। यही सपाट हिस्सा इसे रेफरेंस के रूप में उपयोगी बनाता है: इसे सप्लाई के पार लगाकर एक सर्किट को स्थिर-सा वोल्टेज मिल जाता है।

बेंच पर आम सेटअप यह होता है कि सप्लाई से कैथोड तक एक रेज़िस्टर लगाया जाए और लोड ज़ेनर के पार जोड़ा जाए। रेज़िस्टर वह वोल्टेज गिराता है जो ज़ेनर नहीं लेता, इसलिए यह करंट सीमित रखता है और डायोड को ब्रेकडाउन क्षेत्र में बनाए रखता है।

एक वर्क्ड उदाहरण: 9 V सप्लाई से 5.1 V

मान लीजिए आपको 9 V सप्लाई से लगभग 5.1 V रेफरेंस चाहिए, एक आम 5.1 V ज़ेनर का उपयोग करके। इसका सटीक ब्रेकडाउन वोल्टेज पार्ट दर पार्ट बदलता है और डेटाशीट पर टॉलरेंस के रूप में लिखा होता है, इसलिए 5.1 V को नॉमिनल मानें। ज़ेनर से लगभग 5 mA करंट का लक्ष्य रखें। रेज़िस्टर को 9 V घटा 5.1 V, यानी 3.9 V गिराना है। 3.9 V को 5 mA से भाग देने पर 780 ohm आता है, इसलिए अगली मानक वैल्यू सेट से 820 ohm रेज़िस्टर एक समझदारी भरा चुनाव है।

820 ohm के साथ, नॉमिनल 9 V इनपुट पर ज़ेनर करंट लगभग 3.9 V को 820 ohm से भाग देने पर आता है, यानी लगभग 4.8 mA। ज़ेनर लगभग 5.1 V गुणा 4.8 mA, यानी लगभग 25 mW डिसिपेट करता है, जो एक आम 0.5 W पार्ट के भीतर आराम से है। अब सबसे खराब स्थिति जाँचें: अगर इनपुट 10 V तक बढ़ता है, तो करंट लगभग 5.9 mA तक बढ़ जाता है, और डिसिपेशन भी उसी के साथ बढ़ता है, फिर भी सीमा के भीतर रहता है। यदि आप रेफरेंस से मान लीजिए 2 mA खींचने वाला लोड लगाते हैं, तो ज़ेनर करंट लगभग 2.8 mA तक गिर जाता है। यहीं ज़ेनर के लोअर नी पर नज़र रखनी होती है, क्योंकि उससे नीचे वोल्टेज बैठने लगता है।

वोल्टेज कहाँ ड्रिफ़्ट करता है

आउटपुट को तीन चीज़ें हिलाती हैं। पहली, ज़ेनर करंट: चूँकि डिवाइस का एक सीमित डायनामिक रेज़िस्टेंस होता है, करंट बदलने पर इसका वोल्टेज थोड़ा खिसकता है, इसलिए डगमगाती सप्लाई या स्विच होता लोड आपके रेफरेंस पर दिख जाएगा। दूसरी, तापमान: ज़ेनर वोल्टेज का एक टेम्परेचर कोएफ़िशिएंट होता है जिसका साइन वोल्टेज रेटिंग पर निर्भर करता है। लगभग 5 V से कम के कम-वोल्टेज ज़ेनर गर्म होने पर नेगेटिव दिशा में ड्रिफ़्ट करते हैं, जबकि ऊँचे-वोल्टेज वाले अक्सर पॉज़िटिव दिशा में, और रेंज के बीच के आसपास वाले पार्ट्स का व्यवहार सबसे सपाट होता है। तीसरी, शोर: ज़ेनर ब्रेकडाउन में ब्रॉडबैंड शोर पैदा करते हैं, जो हाई-गेन एम्प्लिफ़ायर पर सुनाई देता है और डायोड के पार लगे कैपेसिटर से घटाया जा सकता है।

व्यावहारिक निष्कर्ष यह है कि ज़ेनर एक मोटा, सस्ता रेफरेंस देता है। यह ट्रांज़िस्टर की बायसिंग, कंपेरेटर थ्रेशोल्ड सेट करने या सिग्नल क्लैंप करने के लिए अच्छा है, लेकिन किसी सटीक या स्थिर वोल्टेज की ज़रूरत वाली चीज़ के लिए अच्छा नहीं है।

कब कुछ और इस्तेमाल करना है, यह कैसे जानें

अगर आपको ऐसा रेफरेंस चाहिए जो तापमान और लोड के पार अपनी वैल्यू बनाए रखे, तो अकेला ज़ेनर गलत औज़ार है। इस काम के लिए डेडिकेटेड शंट और सीरीज़ वोल्टेज रेफरेंस, और बैंडगैप-आधारित पार्ट्स बने हैं, जो ड्रिफ़्ट और शोर में ज़ेनर से काफ़ी आगे निकलते हैं। ज़ेनर अकेला ज़्यादा करंट भी सप्लाई नहीं कर सकता। मानक उपाय यह है कि इसके आउटपुट को फ़ॉलोअर के रूप में कॉन्फ़िगर किए गए op-amp से बफ़र किया जाए, ताकि ज़ेनर को केवल बफ़र के इनपुट द्वारा खींचा गया छोटा करंट ही दिखे।

सटीकता के बारे में भी यथार्थवादी रहें। ज़ेनर के ब्रेकडाउन वोल्टेज की टॉलरेंस कई प्रतिशत तक हो सकती है, इसलिए अलग-अलग बोर्ड्स पर दो नॉमिनली एक जैसे रेफरेंस रेल आपस में नहीं मिलेंगे। अगर आपका माप सटीक वोल्टेज पर निर्भर है, तो नॉमिनल पार्ट वैल्यू पर भरोसा करने के बजाय अपने मल्टीमीटर से कैलिब्रेट करें।

बेंच पर प्रैक्टिकल चेकलिस्ट

ज़ेनर रेल पर भरोसा करने से पहले चार बातें जाँचें: कि रेज़िस्टर सबसे कम इनपुट और सबसे अधिक लोड पर पर्याप्त करंट देता है, कि ज़ेनर डिसिपेशन उसकी रेटिंग के भीतर रहता है, कि जहाँ आपका सर्किट संवेदनशील है वहाँ शोर और रिपल फ़िल्टर होते हैं, और कि आउटपुट बफ़र्ड है यदि कुछ भी छोटे लोड से अधिक उस पर निर्भर है। इन्हें पूरा करें तो ज़ेनर एक भरोसेमंद, सस्ता हिस्सा बन जाता है, किसी बड़े डिज़ाइन में आश्चर्य नहीं।