Eletrônica Aula 03 – Diodo Zener

CIn-UFPE

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.

Fonte de tensão não regulada

RS Resistor limitador de corrente

Diodo zener

carga RL

Circuito típico

VZ

Diodo zener

  Suponha o circuito abaixo com um zener para 10V. Quais as correntes máxima e mínima do zener?

Diodo zener ideal Diodo zener real

20 a 40 V

820 Ω

10

a) Corrente mínima

b) Corrente máxima

IS= (20-10)/820 A = 12,2 mA

IS= (40-10)/820 A = 36,6 mA

IS

Fonte de tensão não regulada

RS

Diodo zener

IZ VZ VS

Para Rs = 1KΩ Vs = 20 V

Iz = (Vs-Vz)/Rs = (20-Vz)/1000

-30 mA

-30

Curva 2

Traçar a curva de carga 2; Vz = 0 => Iz = 30mA Iz = 0 => Vz = -30V

Para Rs= 1KΩ Vs = 30 V

Iz = (Vs-Vz)/Rs = (30-Vz)/1000

Traçar a curva de carga1; Vz = 0 => Iz = 20mA Iz = 0 => Vz = -20V

-20 mA

-20

Curva 1

Suponha Vz = 12 V

=12

Mesmo que a tensão na fonte varie de 20 para 30V, a tensão zener é ainda aproximadamente igual a 12V.

Retas de carga/regulagem zener

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.

ΔVz = ΔIz.Rz

Exemplo: Se Vz = 10V e Rz = 8,5 Ω, qual será a tensão adicional quando houver um acréscimo de corrente de 20 mA?

ΔVz = ΔIz.Rz => ΔVz = (20mA).(8,5 Ω) => ΔVz = 0,17 V

A nova tensão zener é de 10,17 V em vez de 10V.

Diodo zener – operação sem carga

  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.

Fonte de tensão não regulada

RS Resistor limitador de corrente

Diodo zener

IZ VZ

Neste caso, IS=IZ = (Vs – Vz)/ Rs

VS

Potência dissipada no zener PZ = Rz.Iz2

  A resistência RS deve ser dimensionada de forma que, mesmo na situação em que a resistência de carga seja infinita, a corrente no diodo não ultrapasse seu valor máximo, portanto:

VSmax – VZ ≤ Izmax Rs

Rsmin ≥ (VSmax – VZ)/Izmax ou

  Para um regulador zener manter a tensão constante, o diodo zener deve permanecer na região de ruptura em qualquer condição de operação.

Retificação com filtro capacitivo

+

-

Rz

Rs

RL

+ Vs

-

Is Diodo zener

  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.

Rsmax ≤ (Vsmin-Vz)/ ILmax

  Para garantir a regulação devemos ter uma resistência série RS máximo, tal que:

• Assim observamos que, Rs deve ser tal que garanta a corrente mínima no díodo quando houver carga e corrente a máxima quando não houver.

Diodo zener – operação com carga

Regulação de carga Esta característica mede a variação da tensão de saída quando

a resistência de carga varia de um valor mínimo (plena carga) a um valor máximo (sem carga), considerando a temperatura constante.

Regulação de carga= RC = [(Vs|RL=RLimax – Vs|RLimin)/ Vs|Rl=L=Rimax ]*100%

  O procedimento habitual para medir a regulação de carga é ajustar o valor da carga correspondente à mínima corrente (em geral zero), medir o valor da tensão de saída, ajustar o valor da carga para a máxima corrente e medir o valor da tensão de saída. As medidas são realizadas com intervalo suficiente para que o regulador se estabilize para cada um dos valores de corrente de saída.

  Na prática, se um regulador não consegue responder rapidamente a variações na corrente de saída (sua resposta em freqüência é limitada), variações instantâneas na tensão de saída vão ocorrer. Essas variações instantâneas causadas por uma carga pode afetar o desempenho dos circuitos alimentados e, se tivermos vários circuitos alimentados ao mesmo tempo (que podemos encarar como várias cargas), as variações instantâneas causadas por uma carga podes afetar as outras através da fonte de alimentação. Isto é muito comum em circuitos digitais.

USP/Eletrônica experimental

Fator de rendimento

  O fator de rendimento(η) determina a parcela da potência fornecida na entrada do circuito que efetivamente é entregue à carga, ou seja:

  η = (Potência de entrada/potência entregue)*100%= (Vs.Is/VL.IL )*100%

Ondulação de tensão zener   Qual o valor da redução na ondulação da onda de saída, com a

colocação de um diodo zener? Tensão de ondulação Tensão de ondulação

Retificação com filtro capacitivo

+

-

Rz

Rs

RL

+ Vs

-

Is

No início da descarga do capacitor, a corrente no resistor em série Ismax= (Vsmax-Vz)/Rs

No final da descarga Ismin= (Vsmin-Vz)/Rs

A variação de corrente Ismax- Ismin =(Vsmax-Vsmin)/Rs = ΔVs/Rs, ou seja:

ΔVs = ΔIs.Rs (Ondulação pico-a-pico na entrada)

Ondulação pico-a-pico no zener é dado por ΔVz = ΔIz.Rz (saída) Relação entre tensão saída/entrada

ΔVz = ΔIz.Rz ΔVs ΔIs.Rs

Vz

Ondulação de tensão zener

  Considerando uma carga constante (RL)as variação de corrente no zener é a mesma que no resistor em série, assim:

ΔVz = Rz

ΔVs 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

ΔVz = (1/100). ΔVs

Diodo zener- datasheet (exemplo)

(VZ) (Volts) - tensão do zener IZT – corrente do zener (IZTK) (mA) - corrente de teste (no joellho) (IZRM) (uAmp) Corrente reversa máxima

ZZ@IZT (Ω) Impedância zener máxima ZZk@IZT (Ω) Impedância zener (no joelho) (IZM)(mA) – máxima corrente do regulador

K