Diodo Zener

O diodo Zener é um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar sob o regime de condução reversa, ou seja, acima da tensão de ruptura junção PN. Embora o nome diodo Zener tenha se popularizado comercialmente, o nome mais preciso seria diodo de condução reversa, já que há dois fenômenos envolvidos o efeito Zener e o efeito Avalanche.

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Fabricação

O diodo Zener difere do diodo convencional pelo fato de receber uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provoca a aproximação da curva na região de avalanche ao eixo vertical. Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener que é mais notável à tensões relativamente baixas (em torno de 5,5V). Desta forma, qualquer diodo que seja projetado para operar na região de avalanche (mesmo que não seja a baixas tensões) é denominado de diodo Zener.

Funcionamento

O diodo Zener pode funcionar polarizado diretamente ou inversamente. Quando está polarizado directamente, funciona como outro diodo qualquer, não conduz enquanto a tensão aos seus terminais for inferior a 0,6 V (diodo de silício) e a partir desta tensão começa a conduzir, primeiro pouco e depois cada vez mais depressa, sendo não linear a curva de crescimento da corrente com a tensão. Por esse facto, a sua tensão de condução não é única, sendo considerada de 0,6 ou 0,7 V.

Qualquer diodo inversamente polarizado praticamente não conduz desde que não ultrapasse a tensão de ruptura. Na verdade, existe uma pequena corrente inversa, chamada de "corrente de saturação" e devida unicamente à geração de pares de eléctrão-lacuna na região de carga espacial, à temperatura ambiente. No diodo Zener acontece a mesma coisa. A diferença é que, no diodo convencional, ao atingir uma determinada tensão inversa, a corrente inversa aumenta bruscamente (efeito de avalanche) e a dissipação térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível inverter o processo. No diodo Zener, por outro lado, ao atingir uma tensão chamada de Zener (geralmente bem menor que a tensão de ruptura de um diodo comum), o dispositivo passa a permitir a passagem de correntes bem maiores que a de saturação inversa, mantendo constante a tensão entre os seus terminais.

Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 V, 6,3 V, 9,1, 12v e 24v.

Quanto ao valor da corrente máxima admissível, existem vários tipos de diodo. O valor indicado é o da potência. Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mW, 1W além de outros valores. O valor da corrente máxima admissível

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depende desta potência e da tensão de Zener. É por isso que o diodo Zener se encontra normalmente associado com uma resistência em série, destinada precisamente a limitar a corrente a um valor admissível.

Aplicações do Zener

Regulador de Tensão Com Zener

Corrente Máxima no Zener para que não danifique o componente

PZ = VZ * IZmáx

IZmáx = PZ / VZ

Corrente Mínima

IZmín = IZmáx . 0,15

Cálculo do Resistor limitador RZ

Adiciona-se RZ para limitar a corrente no zener

RZmín = (VCC - VZ) / IZmáx

RZmáx = (VCC - VZ) / (IZmín + IRML)

RZ (adotado) = (RZmín + RZmáx) / 2

RZmín <RZ (adotado) <Rzmáx

Gerador de ruído branco

O diodo zener pode ser utilizado com fonte de ruído branco quando operando na sua região de ruptura.

Definições

VCC : tensão média na carga (valor da fonte de tensão) VZ : tensão no Zener (parâmetro do diodo, vem do fabricante) PZ : potência do Zener (parâmetro do diodo, vem do fabricante) IZ : corrente do Zener RS : resistor limitador de corrente RL : carga RZ : resistência do Zener IMRL: corrente média na carga IZmín : corrente Mínima de Zener IZmáx : corrente Máxima de Zener

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Este metódo foi utilizado considerando uma tensão constante de entrada.

O diodo zener é um dispositivo que tem quase as mesmas características que um diodo normal. A diferença está na forma como ele se comporta quando está polarizado reversamente.

Para isto devemos aplicar tensão igual ou maior que a indicada no corpo dele. Quando um zener está conduzindo no sentido inverso, ele mantém a tensão constante nos seus terminais. Portanto ele pode ser usado como estabilizador de tensão ou em circuitos de proteção.

 

No diodo normal, polarizado reversamente, ocorre um fenômeno chamado de efeito avalanche ou efeito zener, que consiste num aumento repentino da corrente reversa, dissipando potência suficiente para ruptura da junção PN, danificando o diodo. A tensão na qual ocorre o efeito zener é chamada de tensão de ruptura ou Breakdown voltage (VBR)

O diodo zener é construído com uma área de dissipação de potência suficiente para suportar o efeito avalanche. Assim, a tensão na qual este efeito ocorre é denominado de tensão zener (VZ) e pode variar em função do tamanho e do nível de dopagem da junção PN. Comercialmente são encontrados diodos com VZ de 2 a 200 volts.

 

Abaixo vemos o funcionamento e alguns tipos de zener:

Os zeners padronizados são: 2V4, 2V7, 3, 3V3, 3V9, 4V3, 4V7, 5V1, 5V6, 6V2, 6V8, 7V5, 8V2, 9V1, 10, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 39, 43, 75, 91, 120, 130 V.

 

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  Regulador de Tensão com Zener

No circuito abaixo formado por um diodo zener polarizado reversamente pela fonte VE e um resistor limitador de corrente, temos que:

A tensão VZ permanece constante para correntes entre IZmin e IZmax. Podendo o diodo ser substituído pelo seu modelo ideal.

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Na especificação de um circuito regulador devemos nos preocupar em definir limites para VE e RS de modo a não danificar o diodo.

Regulador de Tensão com Carga

As quatro aplicações básicas dos reguladores de tensão, são as seguintes:

• Estabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa a partir de uma tensão constante.

• Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão constante.

• Estabilizar uma tensão de saída para uma carga fixa a partir de uma tensão com ripple.

• Estabilizar uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão com ripple.

O primeiro caso seria o mais simples, por exemplo, se desejássemos alimentar um aparelho de 4,5 V a partir de uma bateria de 12 V. O último caso é o mais geral, geralmente o encontrado nas fontes de tensão com filtros capacitivos.

Basicamente, o projeto de um regulador de tensão com carga consiste no cálculo da resistência limitadora de corrente RS conhecendo-se as demais variáveis do circuito:

• Tensão de entrada (constante ou com ripple) • Carga (fixa ou variável) • Tensão de saída esperada • Especificações do diodo zener

 

Exemplo 1 - Determine RS do regulador de tensão acima para que uma fonte de tensão de 12 V fixos alimente um circuito com carga constante de 1 kW e tensão de 5,6 V, usando um diodo zener de VZ=5,6V e IZmax=100mA..

• Solução: O resistor RS deve satisfazer as condições dadas pelas especificações do diodo.

• Com a corrente mínima definimos o valor máximo para RS • Com a corrente máxima definimos o valor mínimo para RS

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• Definimos um valor comercial para RS dentro do intervalo estabelecido.

• Calculamos a potência dissipada pelo resistor.

Exemplo 2 - Uma fonte de alimentação foi projetada para alimentar uma carga de 560W com tensão de 15V. Porém o sinal de saída do filtro capacitivo corresponde a uma tensão de 22V com ripple de 5Vpp. Determinar RS do regulador de tensão que elimina o ripple desta fonte e estabiliza sua tensão em 15V.

• Solução: O resistor RS deve satisfazer as condições dadas pelas especificações do diodo e pela variação da tensão de entrada..

• Com a corrente mínima definimos o valor máximo para RS. A corrente mínima acontece para o valor mínimo de VE.

• Com a corrente máxima definimos o valor mínimo para RS. A corrente máxima acontece para o valor máximo de VE.

• Definimos um valor comercial para RS dentro do intervalo estabelecido.

• Calculamos a potência dissipada pelo resistor.

Outras Aplicações do Diodo Zener

O diodo zener ainda será bastante explorado em conjunto com outros dispositivos, tais como transistores e amplificadores operacionais. Sozinho, ele ainda pode ser utilizado com circuito limitador duplo ou como referência para fontes com vários níveis de tensão (figuras abaixo).

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O diodo zener é equivalente a uma fonte de tensão CC, quando operando na região de ruptura, isto é, podemos considerá-lo como uma fonte CC com uma pequena resistência interna.

Sua principal vantagem é manter a tensão nos seus terminais aproximadamente constante. Seu símbolo é mostrado abaixo:

A figura abaixo mostra a curva característica de um diodo zener (gráfico I -V), onde na região de polarização direta, começa a conduzir por volta de 0,7V, como se fosse um diodo comum.

Na região reversa, observa-se que na ruptura o joelho (VZ) é bastante pronunciado, seguido de um aumento de corrente praticamente vertical. Podemos observar também que a tensão é praticamente constante (aproximadamente igual a VZ

em quase toda a região de ruptura. O valor de VZ é geralmente especificado para uma determinada corrente de teste IZT.

A potência dissipada por um diodo zener é dada pela fórmula:

PZ = VZIZ

Por exemplo, se VZ = 6,2V e IZ = 12mA, então: PZ = 6,2V x 12mA = 74,4mW.

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Desde que a potência não seja ultrapassada, o diodo zener pode operar dentro da região de ruptura sem ser destruído.

Muitas vezes na especificação do fabricante inclui-se também a corrente máxima que um diodo pode suportar, em função da máxima potência que o mesmo pode suportar. Assim:

IZM = PZM / VZ

onde:

IZM = máxima corrente de zener especificada

PZM = potência especificada

VZ = tensão de zener

Se quisermos saber a corrente especificada de um diodo zener de 6,2V com uma especificação de potência de 500mW, então:

IZM = 500mW / 6,2v = 80,6mA

Isto significa que, se houver uma resistência limitadora de corrente suficiente para manter a corrente de zener abaixo de 80,6mA, o diodo zener pode operar dentro da região de ruptura sem se danificar.

Levando-se em conta uma tolerância de 10% (por exemplo), acima ou abaixo do valor de 6,2V, então é aconselhável para maior segurança recorrer ao procedimento abaixo:

IZM = 500mW / 6,2V(x 1,1) = 73,3mA

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Quando um diodo zener está operando na região de ruptura, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento na tensão. Isto significa que o diodo zener tem uma pequena resistência, que também é denominada impedância zener (ZZT), também referenciada à corrente de teste IZT para medir VZ. Assim por exemplo, para um diodo fictício 1NZX45, com as especificações VZT = 12V; IZT = 20mA e ZZT = 5, indica que o diodo zener tem uma tensão de 12V e uma resistência de 5 para uma corrente de 20mA.

REGULAÇÃO DE TENSÃO

Para que ocorra o efeito regulador de tensão é necessário que o diodo zener opere dentro da região de ruptura, respeitando-se as especificações da corrente máxima. Considere o circuito abaixo:

A corrente que circula por RS que é a própria corrente que circula pelo diodo zener é dada pela fórmula:

IRS = (VE - VZ) / RS

Para entender como funciona a regulação de tensão, suponha que a tensão VE

varie para 9V e 12V respectivamente.

Devemos então obter o ponto de saturação (interseção vertical),

fazendo com que VZ = 0.

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a) obtenção de q1 (VZ = 0), temos: I = 9/500 = 18mA

b) obtenção de q2 (VZ = 0), temos: I = 12/500 = 24mA

Para obter o ponto de ruptura (interseção horizontal),fazemos IZ = 0.

a) obtenção de q1 (IZ = 0), temos: VZ = 9V

b) obtenção de q2 (IZ = 0), temos: VZ = 12V

Analisando o gráfico acima, observa-se que embora a tensão VE varie para 9V e 12V respectivamente, haverá mais corrente no diodo zener implicando nas interseções q1 e q2.

Portanto embora a tensão VE tenha variado de 9 a 12V, a tensão zener ainda é aproximadamente igual a 6V.

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Basta para isso comparar a diferença entre q1 e q2, onde observa-se que a tensão de saída permaneceu praticamente constante mesmo que a tensão de entrada tenha variado. Essa é a idéia de regulação de tensão.

DIODO ZENER IDEAL (1ª aproximação)

DIODO ZENER REAL ( 2ª aproximação)

Na primeira aproximação, podemos considerar a região de ruptura como uma linha vertical. Isto quer dizer que a tensão de saída será sempre constante, embora ocorra uma grande variação de corrente, o que eqüivale ignorar a resistência zener.

Isto implica que em um circuito o diodo zener pode ser substituído por uma fonte de tensão com resistência interna nula.

Na segunda aproximação isto não ocorre, pois deve ser levada em consideração a resistência zener. Isto quer dizer que na região de ruptura a linha é ligeiramente inclinada, isto é, ao variar a corrente, haverá uma variação, embora muito pequena, da tensão de saída.

Na segunda aproximação deve ser levada em consideração a resistência zener (RZ) em série com uma bateria ideal. Isto significa que quanto maior for a corrente, esta resistência produzirá uma queda de tensão maior. Retornando ao gráfico anteriormente analisado, teremos então:

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a) tensão em q1 será: V1 = I1 . RZ + VZ

b) tensão em q2 será: V2 = I2 . RZ + VZ

A variação da tensão de saída será dada por:

V2 - V1 = (I2 - I1).RZ ou VZ = IZRZ

Deduz-se então que quanto menor for a resistência zener, menor será a variação da tensão de saída.

Bibliografia

Google:

h ttp://www.google.com.br/search?hl=pt- BR&source=hp&q=diodo+zener&aq=f&aqi=g10&aql=&oq=&gs_rfai=

Wikipedia:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo_Zener

Electronica:

http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/72/37/

Yahoo Resposta:

http://br.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070310065744AAVfJqe

Google Images:

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Nome : Felipe Liessi RA: 196136

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