Eletrônica
Diodo 02
CIN-UPPE
Diodo zener
Diodo Zener é um tipo especial de diodo, que por construção,
intencionalmente, opera na região de ruptura.
Este tipo de diodo, também chamado diodo de ruptura, é o elemento
principal dos reguladores de tensão. Ou seja, é utilizado para garantir
tensão constante independente da corrente requisitada pela carga do
circuito.
Características elétricas
Os diodos zener podem ser encontrados numa vasta variedade de
tensões de operação, as quais estão associadas as tensões de
ruptura.
Assim como todos os diodos, os diodos zener também apresentam
uma resistência interna nas regiões pn. Esta resistência pode provocar
uma queda de tensão, além da tensão de ruptura.
Comercialmente, podemos encontrar diodos zener, como reguladores
de tensão, na faixa de 1,8 a 200 V.
Quando polarizado diretamente o diodo zener opera como um diodo
retificador normal.
Circuito típico
R Resistor limitador de corrente
Fonte de tensão
não regulada
VZ
Diodo zener
RL carga
Diodo zener - operação
RS Resistor limitador de corrente
Fonte de tensão
não regulada
VS
IZ
VZ
Diodo zener
Deve existir sempre um resistor para limitar a corrente na tensão de
ruptura do diodo zener, caso contrário, assim como os diodos normais
o zener queimaria por excesso de potência.
IS=IZ = (Vs – Vz)/ Rs
Potência dissipada no zener PZ = Rz.Iz2
Diodo zener
Diodo zener ideal
Diodo zener real
Suponha o circuito abaixo com um zener para 10V. Quais as corrente
máxima e mínima do zener?
a) Corrente mínima
IS= 10/820 A = 12,2 mA
820 Ω
20 a 40 V
IS
10
b) Corrente máxima
IS= 30/820 A = 36,6 mA
Zener com carga
O diodo zener deve ser capaz de manter a tensão constante mesmo
com oscilações na tensão da fonte ou mudança na resistência da
carga.
RS
Fonte de tensão
não regulada
VS
VZ
RL carga
Diodo zener
Para se garantir que o zener está operando na região adequada de
tensão, calculamos a tensão Thevenin retirando o zener do circuito.
VTH
=
RL . Vs
Rs +RL
Agora, retirando a carga, a corrente do resistor que limita a corrente
de ruptura é dado por:
IS
=
VS - VZ
Rs
Ondulação no Resistor de carga
Embora haja, em geral, ondulações nas fontes de alimentação, o diodo
tende a eliminar estas ondulações. Esta ondulações, mesmo se
considerarmos um modelo de zener com resistência interna é muito
pequena.
Se considerarmos que existe uma certa tensão de ondulação Vr, o
novo valor de saída de tensão de ondulação seria dada por:
Vr(saída) =
Rz
. Vr(ent)
Rs +Rz
Retas de carga/regulagem zener
RS
-30
Fonte de tensão
não regulada
VS
IZ
-20
=12
VZ
Diodo zener
Curva 1
Curva 2
-20 mA
-30 mA
Suponha Vz = 12 V
Para =
1KΩ
Vs = 20 V
Para =
1KΩ
Vs = 30 V
Iz = (Vs-Vz)/Rs = (20-Vz)/1000
Iz = (Vs-Vz)/Rs = (30-Vz)/1000
Traçar a curva 1;
Vz = 0 => Iz = 20mA
Iz = 0 => Vz = -20V
Traçar a curva 2;
Vz = 0 => Iz = 30mA
Iz = 0 => Vz = -30V
Mesmo que a tensão na fonte varie de 20 para 30V, a tensão zener é ainda
Aproximadamente igual a 12V.
Variação da tensão zener
A variação da tensão zener é diretamente proporcional a variação da
corrente no zener e a resistência Zener. Como a resistência do diodo
zener é pequena está variação de tensão zener também é pequena.
∆Vz = ∆Iz.Rz
Exemplo:
Se Vz = 10V e Rz = 8,5 Ω, qual será a tensão adicional quando houver um
acréscimo de corrente de 20 mA?
∆Vz = ∆Iz.Rz => ∆Vz = (20mA).(8,5 Ω) => ∆Vz = 0,17 V
A nova tensão zener é de 10,17 V em vez de 10V.
Ondulação de tensão zener
Qual no valor da redução na ondulação da onda de saída, com a colocação de
um diodo zener?
Rs
Rz
Vz
+
Retificação +
com filtro Vs
capacitivo
-
Tensão de
ondulação
Is
Rl
-
No início da descarga do
No final da descarga
capacitor, a corrente no resistor
Ismin= (Vsmin-Vz)/Rs
em série Ismax= (Vsmax-Vz)/Rs
A variação de corrente
Ismax- Ismin =(Vsmax-Vsmin)/Rs = ∆Vs/Rs, ou seja:
∆Vs = ∆Is.Rs (Ondulação pico-a-pico na entrada)
Ondulação pico-a-pico no zener é dado por ∆Vz = ∆Iz.Rz (saída)
Relação entre tensão saída/entrada
∆Vz = ∆Iz.Rz
∆Vs ∆Is.Rs
Ondulação de tensão zener
Considerando uma carga constante (Rl)as variação de corrente no
zener é a mesma que no resistor em série, assim:
∆Vz = Rz
∆Vs
Rs
Assim, sabendo-se o valor do resistor do zener e Rs
é possível se estimar a ondulação da tensão de saída
sabendo- se a ondulação na entrada.
Exemplo: Rz = 7 Ω e Rs = 700 Ω, a ondulação na saída seria 1/100 da
ondulação na entrada
∆Vz = (1/100). ∆Vs
Pronto de saída do regulador zener
Rs
Rz
+
Retificação +
com filtro Vs
capacitivo
-
Diodo zener
Is
Rl
-
Para um regulador zener manter a tensão constante, o diodo zener deve
permanecer na região de ruptura em qualquer condição de operação.
O pior caso ocorre quando a corrente fornecida pela fonte é mínima e a
corrente de carga é alta.
Ismin=(Vsmin-Vz)/Rs => Rs = (Vsmin-Vz)/Ismin
Como Iz = Is-IL , ou seja, no pior caso Izmin = Ismin-Ilmax
No ponto crítico Ismin= Ilmax resultando Iz =0, ou seja, sem regulação.
Para garantir a regulação devemos ter uma resistência série sempre
menor que:
Rsmax= (Vsmin-Vz)/ ILmax
Coeficiente de temperatura
O aumento da temperatura ambiente em torno do componente pode
fazer com que haja uma pequena alteração na tensão de regulagem
do zener.
∆V = θVZTJ
θVZ é o coeficiente de temperatura do diodo (ver figura).
TJ temperatura da junção – Valor máximo permitido para a temperatura
da junção PN do diodo.
Coeficiente de temperatura
Todo dispositivo zener possui um coeficiente de temperatura, fornecido
pelo fabricante, que é a variação em porcentagem por grau Celsius.
Em geral para tensão de regulagem abaixo de 5V este coeficiente é
negativo. Para diodos zener acima de 6V este valor é positivo.
Temperatura da junção
TJ = TL + ∆TJL
Onde:
TL = temperatura no borne do diodo.
TL = θLAPD + TA
− θLA é a resistência térmica ambiente do borne do zener (°C/W)
– PD is a dissipação de potência no zener.
– TA A temperatura ambiente
θLA varia de acordo com a montagem do dispositivo no circuito zener
(placa de circuito impresso, etc.). Seu valor fica em torno de 30 to
40°C/W.
Coeficiente de temperatura
∆TJL é o aumento na temperatura da junção sobre o borne(ligação) do
zener.
∆TJL = θJLPD
No pior caso, usando a corrente máxima esperada de IZ , podemos
estimar os limites PD (a quantidade máxima de potência (em watts)
permitida na dissipação do diodo) e os extremos de TJ(∆TJ).
θJL representa a resistência térmica entre o borne e a junção PN.
Assim, mudanças na tensão VZ, pode ser encontrada por:
∆V = θVZTJ
Coeficiente de temperatura
Qual seria a influência da temperatura no valor da tensão a
aplicada a um diodo zener, considerando:
– Vz = 12 Volts ; PD = 500 mW ; Tamanho do borne = 0.2”
– Temperatura ambiente = 25 °C
Sabemos que:
∆V = θVZTJ
TJ = TL + ∆TJL
Onde:
TL = θLAPD + TA ; ∆TJL = θJLPD
Considerando:
θLA =30°C/W ; TA = 25°C
TL = 40 °C
∆TJL = θJLPD = (150 °C /W)500mW = 75 °C
Assim:
TJ = 40+75 = 115 °C
∆V = θVZTJ = (8mV/ °C).115 °C = 0.92 V
Diodo zener- datasheet (exemplo)
(VZ) (Volts) - tensão do zener
Iz – corrente do zener
(IZT) (mA) - corrente de teste
(IZRM) (uAmp) Corrente reversa máxima
ZZT@IZT (Ω) Impedância zener máxima
ZZT@IZK (Ω) Impedância zener (no joelho)
IZK (mA) – corrente teste no joelho (knee)
(IZM)(mA) – máxima corrente do regulador
Diodo zener- datasheet (exemplo)
Diodo zener- datasheet (exemplo)
Diodo zener- datasheet (exemplo)
Zener como limitador de tensão
Um simples diodo zener pode limitar um lado de uma senoide para a
tensão zener enquanto corta o outro lado para um valor próximo de
zero.
Com dois diodos zeners em oposição, a forma de onda pode ser
limitada a tensão zener em ambos os lados. Isto pode ser usado para
geração de ondas.