Eletrônica Diodo 02 CIN-UPPE

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1 Eletrônica Diodo 02 CIN-UPPE

2 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.

3 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. Circuito típico R Resistor limitador de corrente Fonte de tensão não regulada V Z R L carga Diodo zener

4 Diodo zener - operação R S Resistor limitador de corrente Fonte de tensão não regulada V S I Z V Z Diodo zener 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. I S =I Z = (V s V z )/ R s Potência dissipada no zener P Z = R z.i z 2

5 Diodo zener Diodo zener ideal Diodo zener real Suponha o circuito abaixo com um zener para 10V. Quais as corrente máxima e mínima do zener? a) Corrente mínima 820 Ω I S = 10/820 A = 12,2 ma 20 a 40 V I S 10 b) Corrente máxima I S = 30/820 A = 36,6 ma

6 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. R S Fonte de tensão não regulada V S V Z R L carga Diodo zener Para se garantir que o zener está operando na região adequada de tensão, calculamos a tensão Thevenin retirando o zener do circuito. V TH = R L. V s R s +R L Agora, retirando a carga, a corrente do resistor que limita a corrente de ruptura é dado por: I S = V S - V Z R s

7 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 Rs +Rz. Vr(ent)

8 Retas de carga/regulagem zener R S =12 Fonte de tensão não regulada V S I Z V Z Curva 1 Suponha Vz = 12 V Diodo zener Curva 2-20 ma -30 ma Para = 1KΩ Vs = 20 V Para = 1KΩ Vs = 30 V Iz = (Vs-Vz)/Rs = (20-Vz)/1000 Traçar a curva 1; Vz = 0 => Iz = 20mA Iz = 0 => Vz = -20V Iz = (Vs-Vz)/Rs = (30-Vz)/1000 Traçar a curva 2; Vz = 0 => Iz = 30mA Iz = 0 => Vz = -30V Mesmo que a tensão na fonte varie de 20 para 30V, a tensão zener é ainda Aproximadamente igual a 12V.

9 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 Ω, qual será a tensão adicional quando houver um acréscimo de corrente de 20 ma? Vz = Iz.Rz => Vz = (20mA).(8,5 Ω) => Vz = 0,17 V A nova tensão zener é de 10,17 V em vez de 10V.

10 Ondulação de tensão zener Qual no valor da redução na ondulação da onda de saída, com a colocação de um diodo zener? Rs Is Tensão de ondulação Retificação com filtro capacitivo + Vs - Vz Rz + - Rl No início da descarga do capacitor, a corrente no resistor em série Is max = (Vs max -Vz)/Rs A variação de corrente Is max - Is min =(Vs max -Vs min )/Rs = Vs/Rs, ou seja: Vs = Is.Rs (Ondulação pico-a-pico na entrada) No final da descarga Is min = (Vs min -Vz)/Rs Ondulação pico-a-pico no zener é dado por Vz = Iz.Rz (saída) Relação entre tensão saída/entrada Vz = Iz.Rz Vs Is.Rs

11 Ondulação de tensão zener Considerando uma carga constante (R l )as variação de corrente no zener é a mesma que no resistor em série, assim: Vz = Rz Vs 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. Rs Exemplo: Rz = 7 Ω e R s = 700 Ω, a ondulação na saída seria 1/100 da ondulação na entrada Vz = (1/100). Vs

12 Pronto de saída do regulador zener Rs Is Diodo zener Retificação com filtro capacitivo + Vs Rz + R l - - Para um regulador zener manter a tensão constante, o diodo zener deve permanecer na região de ruptura em qualquer condição de operação. O pior caso ocorre quando a corrente fornecida pela fonte é mínima e a corrente de carga é alta. Is min =(Vs min -Vz)/Rs => Rs = (Vs min -Vz)/Is min Como Iz = Is-I L, ou seja, no pior caso Iz min = Is min -I lmax No ponto crítico Is min = I lmax resultando Iz =0, ou seja, sem regulação. Para garantir a regulação devemos ter uma resistência série sempre menor que: Rs max = (Vs min -Vz)/ I Lmax

13 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 = θv Z T J θv Z é o coeficiente de temperatura do diodo (ver figura). T J temperatura da junção Valor máximo permitido para a temperatura da junção PN do diodo.

14 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 T J = T L + T JL Onde: T L = temperatura no borne do diodo. T L = θ LA P D + T A θ LA é a resistência térmica ambiente do borne do zener ( C/W) P D is a dissipação de potência no zener. T A A temperatura ambiente θ 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 40 C/W.

15 Coeficiente de temperatura T JL é o aumento na temperatura da junção sobre o borne(ligação) do zener. T JL = θ JL P D No pior caso, usando a corrente máxima esperada de I Z, podemos estimar os limites P D (a quantidade máxima de potência (em watts) permitida na dissipação do diodo) e os extremos de T J ( TJ ). θ JL representa a resistência térmica entre o borne e a junção PN. Assim, mudanças na tensão V Z, pode ser encontrada por: V = θv Z T J

16 Coeficiente de temperatura Qual seria a influência da temperatura no valor da tensão a aplicada a um diodo zener, considerando: Vz = 12 Volts ; P D = 500 mw ; Tamanho do borne = 0.2 Temperatura ambiente = 25 C Sabemos que: V = θv Z T J T J = T L + T JL Onde: T L = θ LA P D + T A ; T JL = θ JL P D Considerando: θ LA =30 C/W ; T A = 25 C T L = 40 C T JL = θ JL P D = (150 C /W)500mW = 75 C Assim: T J = = 115 C V = θv Z T J = (8mV/ C).115 C = 0.92 V

17 Diodo zener- datasheet (exemplo)

18 (V Z ) (Volts) - tensão do zener I z corrente do zener (I ZT ) (ma) - corrente de teste (I ZRM ) (uamp) Corrente reversa máxima Z ZT (Ω) Impedância zener máxima Z ZK (Ω) Impedância zener (no joelho) I ZK (ma) corrente teste no joelho (knee) (I ZM )(ma) máxima corrente do regulador

19 Diodo zener- datasheet (exemplo)

20 Diodo zener- datasheet (exemplo)

21 Diodo zener- datasheet (exemplo)

22 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.

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