Eletrônica Aula 03 Diodo Zener CIn-UFPE

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1 Eletrônica Aula 03 Diodo Zener CIn-UFPE

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 S Resistor limitador de corrente Fonte de tensão não regulada V Z R L carga Diodo zener

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

5 Retas de carga/regulagem zener R S Fonte de tensão não regulada V S I Z V Z =12 Curva 1 Suponha V z = 12 V Diodo zener Curva 2-20 ma -30 ma Para R s = 1KΩ V s = 20 V I z = (V s -V z )/R s = (20-V z )/1000 Traçar a curva de carga1; V z = 0 => I z = 20mA I z = 0 => V z = -20V Para R s = 1KΩ V s = 30 V I z = (V s -V z )/R s = (30-V z )/1000 Traçar a curva de carga 2; V z = 0 => I z = 30mA I z = 0 => V z = -30V Mesmo que a tensão na fonte varie de 20 para 30V, a tensão zener é ainda aproximadamente igual a 12V.

6 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. ΔV z = ΔI z.r z Exemplo: Se V z = 10V e R z = 8,5 Ω, qual será a tensão adicional quando houver um acréscimo de corrente de 20 ma? ΔV z = ΔI z.r z => ΔV z = (20mA).(8,5 Ω) => ΔV z = 0,17 V A nova tensão zener é de 10,17 V em vez de 10V.

7 Diodo zener operação sem carga R S Resistor limitador de corrente Fonte de tensão não regulada V S I Z V Z Diodo zener A resistência R S deve ser dimensionada de forma que, mesmo na situação em que a resistência de carga seja infinita, a corrente no diodo não ultrapasse seu valor máximo, portanto: V Smax V Z Iz max R s ou R smin (V Smax V Z )/Iz max 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. Neste caso, I S =I Z = (V s V z )/ R s Potência dissipada no zener P Z = R z.i z 2

8 Diodo zener operação com carga 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 R S máximo, tal que: Rs max (Vs min -Vz)/ I Lmax Assim observamos que, R s deve ser tal que garanta a corrente mínima no díodo quando houver carga e corrente a máxima quando não houver.

9 Regulação de carga Esta característica mede a variação da tensão de saída quando a resistência de carga varia de um valor mínimo (plena carga) a um valor máximo (sem carga), considerando a temperatura constante. Regulação de carga= RC = [(Vs RL=RLimax Vs RLimin )/ Vs Rl=L=Rimax ]*100% O procedimento habitual para medir a regulação de carga é ajustar o valor da carga correspondente à mínima corrente (em geral zero), medir o valor da tensão de saída, ajustar o valor da carga para a máxima corrente e medir o valor da tensão de saída. As medidas são realizadas com intervalo suficiente para que o regulador se estabilize para cada um dos valores de corrente de saída. Na prática, se um regulador não consegue responder rapidamente a variações na corrente de saída (sua resposta em freqüência é limitada), variações instantâneas na tensão de saída vão ocorrer. Essas variações instantâneas causadas por uma carga pode afetar o desempenho dos circuitos alimentados e, se tivermos vários circuitos alimentados ao mesmo tempo (que podemos encarar como várias cargas), as variações instantâneas causadas por uma carga podes afetar as outras através da fonte de alimentação. Isto é muito comum em circuitos digitais. USP/Eletrônica experimental

10 Fator de rendimento O fator de rendimento(η) determina a parcela da potência fornecida na entrada do circuito que efetivamente é entregue à carga, ou seja: η = (Potência de entrada/potência entregue)*100%= (Vs.Is/VL.IL )*100%

11 Ondulação de tensão zener Qual o 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 + - R L 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 = ΔVs/Rs, ou seja: ΔVs = ΔIs.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 ΔVz = ΔIz.Rz (saída) Relação entre tensão saída/entrada ΔVz = ΔIz.Rz ΔVs ΔIs.Rs

12 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: ΔVz = Rz ΔVs Rs 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. Exemplo: Rz = 7 Ω e R s = 700 Ω, a ondulação na saída seria 1/100 da ondulação na entrada ΔVz = (1/100). ΔVs

13 Diodo zener- datasheet (exemplo)

14 K (V Z ) (Volts) - tensão do zener I ZT corrente do zener (I ZTK ) (ma) - corrente de teste (no joellho) (I ZRM ) (uamp) Corrente reversa máxima Z ZT (Ω) Impedância zener máxima Z ZT (Ω) Impedância zener (no joelho) (I ZM )(ma) máxima corrente do regulador