Usando um diodo Zener

Usos do Diodo Zener

Diodo Zener (também conhecido como diodo regulador de tensão, diodo de tensão constante, diodo de ruptura ou diodo de condução reversa) é um dispositivo ou componente eletrônico semelhante a um diodo semicondutor, especialmente projetado para trabalhar sob o regime de condução inversa, ou seja, acima da tensão de ruptura da junção PN, neste caso há dois fenômenos envolvidos o efeito Zener e o efeito avalanche. O dispositivo leva o nome em homenagem a Clarence Zener, que descobriu esta propriedade elétrica.

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 5,5 Volts).

Diodo: Qualquer diodo inversamente polarizado praticamente não conduz corrente desde que não ultrapasse a tensão de ruptura. Na realidade, existe uma pequena corrente inversa, chamada de corrente de saturação, que ocorre devido unicamente à geração de pares de elétron-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), causando o efeito Joule, e consequentemente a dissipação da energia térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível reverter 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 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts, 12 Volts e 24 Volts. Quanto ao valor da corrente máxima admissível unilateralmente, existem vários tipos de diodos. Um dado importante na especificação do componente a ser utilizado é a potência do dispositivo. Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mili Watts e 1 Watt. O valor da corrente máxima admissível depende dessa potência e da tensão de Zener. É por isso que o diodo Zener se encontra normalmente associado com uma resistência ligada em série, destinada precisamente a limitar a corrente a um valor admissível.

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O díodo zener quando polarizado inversamente (anodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (UZ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos.

O gráfico de funcionamento do zener mostra-nos que, directamente polarizado (1º quadrante), ele conduz por volta de 0,7V, como um díodo comum. Porém, na ruptura (3º quadrante), o díodo zener apresenta um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento de corrente praticamente vertical. A tensão é praticamente constante, aproximadamente igual a Vz em quase toda a região de ruptura. As folhas de dados (data sheet) geralmente especificam o valor de Vz para uma determinada corrente IZT;

A utilização do díodo zener é limitada pelos seguintes parâmetros:

Vz – Tensão de zener (este valor é geralmente especificado para uma determinada corrente de testeIZT)

Izmáx – Corrente de zener máxima

Izmin – Corrente de zener mínima

Pz – Potência de dissipação (PZ = VZ x IZ)

Desde que a potência não seja ultrapassada, o díodo zener pode trabalhar dentro da zona de ruptura sem ser destruído.

Algumas especificações do fabricante inclui-se também a corrente máxima que um diodo pode suportar, em função da máxima potência que o mesmo pode suportar.

IZMax = PZM / VZ

IZMax = máxima corrente de zener especificada

PZM = potência especificada

VZ = tensão de zener

Impedância Zener ZZT

Quando um diodo zener opera 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 = 5Ω, indica que o diodo zener tem uma tensão de 12V e uma resistência de 5 Ω para uma corrente de 20mA.

Regulação de tensão

Para que ocorra o efeito regulador de tensão é necessário que o diodo zener funcione dentro da região de ruptura, respeitando as especificações de corrente máxima.

A corrente que circula por RS que é a 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 varia entre 9V e 12V respectivamente. Devemos então obter o ponto de saturação (interseção vertical), fazendo com que VZ = 0.

q1 (VZ = 0), temos: I = 9/470 = 19mA

q2 (VZ = 0), temos: I = 12/470 = 25mA

Exemplo de Aplicação:

Uma carga de 20 mA precisa ser alimentada por uma fonte regulada de 9 V. A faixa de tensões de entrada do regulado varia entre 12 V e 15 V e a corrente através do zener deve ser mantida entre 10 mA e 50 mA. Calcule o valor e a dissipação de R.

Dados: IL = 20 mA

UL = 9 V

Uin(max) = 15 V

Uin(min) = 12 V

Iz(max) = 50 mA = 0.05 A

Iz(min) = 10 mA = 0.01 A

a) Calculando R(min) e R(max)

Podemos adotar um resistor de 220 ohms, que é valor comum mais próximo do calculado.

P(max) = 0.05 x 9 = 0.45