Diodo Zener. Polarizado diretamente o diodo zener começa a conduzir por volta de 0.7 V, exatamente igual ao diodo de silício comum.

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1 Diodo Zener Introdução Com algumas variações no nível de dopagem do diodo de silício, podemos projetar diodos para operar na região de ruptura ou região Zener, onde grandes variações de corrente produzem pequenas variações de tensões, ou seja, mesmo alterando a corrente conseguimos estabilizar a tensão a um nível especificado. Esse fantástico componente é o diodo zener, que deve ser usado em circuitos que necessitam de uma tensão constante, sem flutuações, pois atuam como uma pilha. Simbologias Real Funcionamento A região de trabalho do diodo Zener está compreendida entre I ZK (menor corrente que mantém a regulagem) e I ZM (máxima corrente antes de ocorrer a destruição do componente). Polarizado diretamente o diodo zener começa a conduzir por volta de 0.7 V, exatamente igual ao diodo de silício comum. Características elétricas Alguns dados são de extrema importância para podermos, compreender e conseqüentemente aplicar o diodo zener em nossos circuitos. Vamos a eles : A tensão do Zener é especificada pelo fabricante da seguinte forma V ZT I ZK é a mínima corrente para o zener operar na região de ruptura, alguns manuais não fornecem esse valor. I ZT é corrente de teste, é corrente que garante a tensão zener entre os valores mínimo e máximo de corrente, é essa corrente que usamos para dimensionar o resistor limitador. I ZM é a máxima corrente de trabalho para o zener operar na região de ruptura, acima desse valor o zener será destruído. P D (máxima) É a máxima potência que o zener pode dissipar, por exemplo a família 1N47XX pode dissipar no máximo 1W. Veja datasheet da família. R Z ou Z Z é a resistência do zener, normalmente especificada como R ZT V Z % é a tolerância da tensão do zener Curva característica O diodo zener Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 27Mai2005 1

2 A potência do Zener P Z A potência do zener é a especificação que merece um pouco mais de atenção. Desde que a potência do Zener seja menor que a especificada pelo manual, o diodo zener pode operar na região de ruptura sem ser destruído. Os diodos zener encontrados no mercado têm especificações de potência até 50 W. Aproximações do diodo zener Características construtivas do diodo zener o impede de ser um componente perfeito, e dentro de suas imperfeições esta a resistência interna do mesmo, isso implicará em algumas diferenças entre medido e calculado. Como nos diodos retificadores os diodos zeners também possui aproximações para fins teóricos. 1ª aproximação ( ideal ) 2ª aproximação A resistência não é levada em consideração A resistência é levada em consideração O zener como regulador Para aplicarmos o Zener, necessitamos conhecer as características elétricas, portanto segue abaixo a especificação da família 1N47XXX O diodo zener Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 27Mai2005 2

3 Brincando com o Zener Olhando esses dados, tive a seguinte curiosidade. Qual a corrente máxima e mínima que circula pelo diodo zener 1N4742A para manter a tensão de saída regulada de 12 V. Verificando os dados: O diodo zener Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 27Mai2005 3

4 A tensão aplicada é maior que a tensão de ruptura Vz. Portanto, a tensão de saída será regulada em 12 V. Agora vamos verificar se o 1N4742A suporta a faixa de corrente a que ficará submetido. Iz(mínimo) = ( V mínimo V zener ) R Iz(mínimo) = ( 20 V 12 V ) 820Ω Iz(mínimo) = 9,76mA Iz(máximo) = ( V máximo V zener ) R Iz(mínimo) = ( 40 V 12 V ) 820Ω Iz(mínimo) = 34,15mA Como a mínima especificada é 0,25mA e a máxima 380mA, não teremos problemas. Mas, e a potência será que suporta? E as dimensões? São adequadas ao seu projeto? Verificando as informações : Verificando a folha de dados temos que a potência máxima é de 1W. Então, vamos as contas. Pz = Vz. Iz(mínimo) Pz = 12. 9,76mA Pz(mínimo) = 117,12 mw Pz = Vz. Iz(máximo) Pz = ,15mA Pz(máximo) = 409,8 mw Mas uma vez não teremos problemas.. O diodo zener Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 27Mai2005 4

5 O resistor limitador de corrente Assim como o diodo retificador, deve-se limitar a corrente que circula pelo diodo zener, abaixo de uma corrente máxima e conseqüentemente acima da mínima especificada. Vamos a um exemplo: Monitorando um sinal, vemos uma tensão desregulada de mais ou menos 20% em um sinal de 20V. Devemos ter uma tensão regulada de 15 V na carga. Qual zener devemos usar? Solução: Verificando a folha de dados, o zener que nos fornece a tensão regulada de 15 V é o 1N4744A. Qual o que deverá ser o resistor (RS) usado para limitar a corrente do zener? Solução: Agora temos um problema maior, pois temos duas malhas que devemos analisar. Vamos a elas : Pela Lei de kirchhoff, sabemos que a soma das tensões em uma malha é zero. Então: V ( não regulada ) Vs( resistor ) VL( carga ) = 0 20 V Vs( resistor ) 15V = 0 Vs( resistor ) = 20 V 15V Vs( resistor ) = 5V Pela lei de Ohm, temos que V = R. I, assim: A corrente da carga será : V = R. I VL(carga) = RL(carga). IL(carga) 15V = 1000Ω. IL(carga) IL(carga) = 15V 1000Ω IL(carga) = 15mA Sabemos ainda que, a corrente que entra no nó é igual as corrente que saem do nó. Então : Is = IL + IZT Is = 15mA + 17mA Is = 32mA Agora podemos encontrar Rs através da Lei de Ohm. Vs = Rs. Is 5V = Rs. 32mA Rs = 5V 32mA Rs = 156,25Ω Mais um problema, não tem resistor comercial de 156,25Ω. Agora uma dúvida surge: 150Ω, serve? Vamos ver : O diodo zener Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 27Mai2005 5

6 A tensão de Thevenin que alimenta o diodo zener pode ser dada através da seguinte equação: V TH = [ RL ( Rs + RL) ]. V(não regulada) V TH = [1000Ω ( 150Ω Ω)]. 20 V V TH = 17,39 V Maior que VZ ok Circuitos Limitadores de tensão Em muitas aplicações a necessidade de limitarmos a tensão em um valor determinado pelo projetista. Limitador positivo Limitador negativo Representação do sinal entrada / saída Representação do sinal entrada / saída No limitador positivo Quando o semiciclo positivo, esta sobre o zener ele esta polarizado na região de ruptura, portanto limitando a tensão em Vz, no semiciclo negativo, estará diretamente polarizado limitando a tensão em -Vd. No limitador negativo Quando o semiciclo positivo, esta sobre o zener ele esta diretamente polarizado e portanto funcionando como um diodo normal, limitando a tensão em Vd, no semiciclo negativo, estará reversamente polarizado limitando a tensão em -Vz. Nota : cuidado ao dimensionar o resistor, pois a máxima tensão provoca uma máxima corrente que não deverá ultrapassar a corrente máxima do zener. Referências bibliográficas: Malvino, A.P. Eletrônica - volume I. São Paulo: McGraw Hill, Boylestad, R. e Nashelsky, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos. Rio de Janeiro: Prentice-Hall, Marcus, O. Circuitos com diodos e Transistores. São Paulo: Érica, 2000 Lalond, D.E. e Ross, J.A. Princípios de dispositivos e circuitos eletrônicos. São Paulo: Makron Books, O diodo zener Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 27Mai2005 6