EletrônicaAula 03

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.

Fonte de tensão não regulada

R Resistor limitador de corrente

Diodo zener

cargaRL

Circuito típico

VZ

Diodo zener - operação

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

RSResistor limitador de corrente

Diodo zener

IZ VZ

IS=IZ = (Vs – Vz)/ Rs

VS

Potência dissipada no zener PZ = Rz.Iz2

Diodo zener

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

Diodo zener ideal Diodo zener real

20 a 40 V

820

10

a) Corrente mínima

b) Corrente máxima

IS= 10/820 A = 12,2 mA

IS= 30/820 A = 36,6 mAIS

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.

Fonte de tensão não regulada cargaRL

RS

VZ

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

VS

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 zenerFonte de tensão

não regulada

RS

Diodo zener

IZ VZVS

Para = 1KVs = 20 V

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

-30 mA

-30

Curva 2

Traçar a curva 2;Vz = 0 => Iz = 30mAIz = 0 => Vz = -30V

Para = 1KVs = 30 V

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

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

-20 mA

-20

Traçar a curva 1;Vz = 0 => Iz = 20mAIz = 0 => Vz = -20V

Curva 1

Suponha Vz = 12 V

=12

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 , qual será a tensão adicional quando houver um acréscimo de corrente de 20 mA?

Vz = Iz.Rz => Vz = (20mA).(8,5 ) => 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?Tensão de ondulaçãoTensão 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 = 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

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:

Vz = Rz

Vs Rs

Assim, sabendo-se o valor do resistor do zener e Rsé possível se estimar a ondulação da tensão de saída sabendo- se a ondulação na entrada.

Exemplo: Rz = 7 e Rs = 700 , a ondulação na saída seria 1/100 da ondulação na entrada

Vz = (1/100). Vs

Pronto de saída do regulador zener

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. 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 = VZTJ

VZ 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 = LAPD + TA

LA é a resistência térmica ambiente do borne do zener (C/W) – PD is a dissipação de potência no zener.– TA A temperatura ambiente

LA varia de acordo com a montagem do dispositivo no circuito zener (placa de circuito impresso, etc.). Seu valor fica em torno de 30 to 40C/W.

TJL é o aumento na temperatura da junção sobre o borne(ligação) do zener. TJL = JLPD

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).

JL representa a resistência térmica entre o borne e a junção PN.

Assim, mudanças na tensão VZ, pode ser encontrada por:

V = VZTJ

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

Coeficiente de temperatura

Sabemos que: V = VZTJ

TJ = TL + TJL

Onde:TL = LAPD + TA ; TJL = JLPD

Considerando:LA =30C/W ; TA = 25C

TL = 40 CTJL = JLPD = (150 C /W)500mW = 75 C

Assim:TJ = 40+75 = 115 C

V = VZTJ = (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 () Impedância zener máximaZZT@IZK () 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.