Diodos Zener

Introdução

Diodos geralmente são conhecidos como um dispositivo que permite o fluxo de corrente em uma direção (polarização direta) e oferece resistência ao fluxo de corrente quando usado em polarização reversa. O diodo Zener (batizado em homenagem ao cientista americano C. Zener, que primeiro explicou seus princípios operacionais), por outro lado, não só permite o fluxo de corrente quando usado em polarização direta, mas também permite o fluxo de corrente quando usado em polarização reversa até agora, a tensão aplicada está acima da tensão de ruptura conhecida como Tensão de ruptura Zener. Ou em outras palavras, a tensão de ruptura é a tensão na qual o diodo Zener começa a conduzir na direção reversa.

Princípio Operacional do Diodo Zener:

Em diodos normais, a tensão de ruptura é muito alta e o diodo fica totalmente danificado se uma tensão acima do diodo de ruptura for aplicada, mas em diodos Zener, a tensão de ruptura não é tão alta e não leva a danos permanentes do diodo zener se a tensão é aplicada.

Conforme a tensão reversa aplicada ao diodo Zener aumenta em direção à tensão de ruptura especificada (Vz), uma corrente começa a fluir através do diodo e essa corrente é conhecida como corrente de Zener e este processo é conhecido como avaria de avalanche . A corrente aumenta até o máximo e se estabiliza. Essa corrente permanece constante em toda a faixa mais ampla de voltagem aplicada e permite que o diodo Zener resista com voltagem mais alta sem ser danificado. Esta corrente é determinada pelo resistor em série.

Considere as imagens abaixo de um diodo normal em ação.

Para mostrar as operações do diodo zener, considere os dois experimentos (A e B) abaixo.

No Experimento A, um diodo zener de 12 V é conectado em polarização reversa, conforme mostrado na imagem e pode ser visto que o diodo zener bloqueou a tensão efetivamente porque era menor / igual à tensão de ruptura do diodo zener particular e da lâmpada, portanto ficou fora.

No Experimento B, um diodo Zener 6v usado está conduzindo (a lâmpada acende) em polarização reversa porque a tensão aplicada é maior que sua tensão de ruptura e, portanto, mostra que a região de ruptura é a região de operação do diodo zener.

A curva característica corrente-tensão do diodo Zener é mostrada abaixo.

A partir do gráfico, pode-se deduzir que o diodo zener operado no modo de polarização reversa terá uma tensão razoavelmente constante, independentemente da quantidade de corrente fornecida.

Aplicações do diodo Zener:

Os diodos Zener são usados ​​em três aplicações principais em circuitos eletrônicos;

1. Regulação de Tensão

2. Clipper de forma de onda

3. Voltage Shifter

1. Diodo Zener como regulador de tensão

Esta é sem dúvida a aplicação mais comum dos diodos zener.

Esta aplicação dos diodos zener depende muito da capacidade dos diodos zener de manter uma tensão constante, independentemente das variações na alimentação ou na corrente de carga. A função geral de um dispositivo de regulação de tensão é fornecer uma tensão de saída constante a uma carga conectada em paralelo a ela, independentemente das variações na energia consumida pela carga (corrente de carga) ou variações e instabilidade na tensão de alimentação.

O diodo Zener fornecerá tensão constante, desde que a corrente permaneça dentro da faixa da corrente reversa máxima e mínima.

O diagrama do circuito mostrando o diodo Zener sendo usado como um regulador de tensão é mostrado abaixo.

Um resistor, R1 é conectado em série com o diodo zener para limitar a quantidade de corrente que flui através do diodo e a tensão de entrada Vin (que deve ser maior que a tensão zener) é conectada conforme mostrado na imagem e a tensão de saída Vout, é medido através do diodo zener com Vout = Vz (Tensão Zener). Visto que as características de polarização reversa do diodo zener são o que é necessário para regular a tensão, ele é conectado no modo de polarização reversa, com o cátodo sendo conectado ao trilho positivo do circuito.

Deve-se tomar cuidado ao selecionar o valor do resistor R1, pois um resistor de valor pequeno resultará em uma grande corrente de diodo quando a carga for conectada e isso aumentará o requisito de dissipação de energia do diodo, que pode se tornar maior do que a classificação de potência máxima de o zener e pode danificá-lo.

O valor do resistor a ser usado pode ser determinado usando a fórmula abaixo.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Onde; R1 é o valor da resistência em série. Vin é a tensão de entrada. Vz que é o mesmo que Vout é a tensão Zener E Iz é a corrente zener.

Usando esta fórmula, torna-se fácil garantir que o valor do resistor selecionado não conduza a um fluxo de corrente maior do que o que o zener pode suportar.

Um pequeno problema experimentado com circuitos reguladores baseados em diodo Zener é que o Zener às vezes gera ruído elétrico no trilho de alimentação enquanto tenta regular a tensão de entrada. Embora isso possa não ser um problema para a maioria das aplicações, esse problema pode ser resolvido com a adição de um capacitor de desacoplamento de grande valor ao longo do diodo. Isso ajuda a estabilizar a saída do zener.

2. Diodo Zener como Clipper de forma de onda

Um dos usos dos diodos normais é na aplicação de circuitos de clipagem e fixação, que são circuitos usados para moldar ou modificar uma forma de onda ou sinal CA de entrada, produzindo um sinal de saída com formato diferente dependendo das especificações do clipper ou clamper.

Circuitos Clippers geralmente são circuitos usados ​​para impedir que o sinal de saída de um circuito vá além de um valor de tensão predeterminado sem alterar qualquer outra parte do sinal de entrada ou forma de onda.

Esses circuitos, juntamente com os clampers, são amplamente usados ​​em transmissores analógicos de televisão e rádio FM para a remoção de interferência (circuitos de fixação) e limitação de picos de ruído por corte de picos altos.

Uma vez que os diodos Zener se comportam genericamente como diodos normais quando a tensão aplicada não é igual à tensão de ruptura, eles também são usados ​​em circuitos de corte.

Os circuitos de corte podem ser projetados para cortar o sinal nas regiões positiva, negativa ou ambas. Embora o diodo irá naturalmente cortar a outra região em 0,7 V, independentemente de ter sido projetado como um cortador positivo ou negativo.

Por exemplo, considere o circuito abaixo.

O circuito clipper é projetado para cortar o sinal de saída a 6,2 V, então um diodo zener de 6,2 V foi usado. O diodo zener evita que o sinal de saída ultrapasse a tensão zener, independentemente da forma de onda de entrada. Para este exemplo específico, uma tensão de entrada de 20 V foi usada e a tensão de saída na oscilação positiva foi de 6,2 V consistente com a tensão do diodo zener. Durante a oscilação negativa da tensão CA, no entanto, o diodo zener se comporta como o diodo normal e corta a tensão de saída em 0,7 V, consistente com os diodos de silicone normais.

Para implementar o circuito de clipping para a oscilação negativa do circuito CA, bem como a oscilação positiva, de forma que a tensão seja cortada em níveis diferentes na oscilação positiva e negativa, um circuito de clipping de zener duplo é usado. O diagrama do circuito para o circuito de recorte duplo zener é mostrado abaixo.

No circuito de corte acima, a voltagem Vz2 representa a voltagem na oscilação negativa da fonte CA na qual o sinal de saída deve ser cortado, enquanto a voltagem Vz1 representa a voltagem na oscilação positiva da fonte CA na qual a voltagem de saída deseja-se que seja cortado.

3. Diodo Zener como deslocador de voltagem

O deslocador de tensão é uma das aplicações mais simples, mas interessantes, do diodo zener. Se você teve experiência especialmente em conectar um sensor de 3,3 V a um MCU de 5 V e viu em primeira mão os erros nas leituras, etc, que isso pode levar a eles, você apreciará a importância dos deslocadores de tensão. Os deslocadores de voltagem ajudam a converter o sinal de uma voltagem para outra e, com a capacidade do diodo zener de manter a voltagem de saída estável na região de ruptura, isso os torna o componente ideal para a operação.

Em um deslocador de voltagem baseado em diodo zener, o circuito diminui a voltagem de saída em um valor igual à voltagem de ruptura do diodo zener específico que é usado. O diagrama do circuito para o deslocador de tensão é ilustrado abaixo.

Considere a experiência abaixo,

O circuito descreve um deslocador de tensão baseado em diodo zener de 3,3 V A tensão de saída (3,72 V) do circuito é dada subtraindo a tensão de ruptura (3,3 V) do diodo zener da tensão de entrada (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3,3 = 3,7v

O deslocador de tensão, conforme descrito anteriormente, tem várias aplicações no design de circuitos eletrônicos modernos, pois o engenheiro de design pode ter que trabalhar com até três níveis de tensão diferentes durante o processo de design.

Tipos de Diodos Zener:

Os diodos Zener são classificados em tipos com base em vários parâmetros que incluem;

1. Voltagem nominal
2. Dissipação de energia
3. Corrente de tração dianteira
4. Tensão direta
5. Tipo de embalagem
6. Corrente reversa máxima

Voltagem nominal

A tensão nominal de operação de um diodo Zener também é conhecida como a tensão de ruptura do diodo Zener, dependendo da aplicação para a qual o diodo será usado, este é freqüentemente o critério mais importante para a seleção do diodo Zener.

Dissipação de energia

Isso representa a quantidade máxima de energia que a corrente zener pode dissipar. Exceder essa classificação de potência leva a um aumento excessivo na temperatura do diodo zener, que pode danificá-lo e levar à falha das coisas conectadas a ele em um circuito. Portanto, este fator deve ser considerado ao selecionar o diodo com o uso em mente.

Corrente máxima de Zener

Esta é a corrente máxima que pode ser passada através do diodo zener na tensão zener sem danificar o dispositivo.

Corrente Zener Mínima

Isso se refere à corrente mínima necessária para o diodo zener começar a operar na região de decomposição.

Outros parâmetros que servem como especificação para o diodo precisam ser totalmente considerados antes que uma decisão seja tomada sobre o tipo de diodo zener necessário para aquele projeto peculiar.

Conclusão:

Aqui estão 5 pontos que você nunca deve esquecer sobre o diodo zener.

1. Um diodo zener é como um diodo comum, mas foi dopado para ter uma tensão de ruptura aguda.
2. O diodo Zener mantém uma tensão de saída estável, independentemente da tensão de entrada, desde que a corrente zener máxima não seja excedida.
3. Quando conectado em polarização direta, o diodo zener se comporta exatamente como o diodo de silicone normal. Conduz com a mesma queda de tensão de 0,7v que acompanha o uso do diodo normal.
4. O estado operacional padrão do diodo zener está na região de ruptura (polarização reversa). Isso significa que ele realmente começa a funcionar quando a tensão aplicada é maior do que a tensão Zener em polarização reversa.
5. O diodo zener é usado principalmente em aplicações que envolvem regulação de tensão, circuitos de corte e deslocadores de tensão.