Que sont les diodes Zener?

Qu’est-ce qu’une diode Zener?

Une diode Zener est un type spécial de diode redresseuse qui peut gérer le claquage dû à une tension de claquage inverse sans tomber complètement en panne. Nous aborderons ici le concept d’utilisation des diodes pour réguler la chute de tension et comment la diode Zener fonctionne en mode de polarisation inverse pour réguler la tension dans un circuit.

Comment les diodes régulent la chute de tension

Si nous connectons une diode et une résistance en série avec une source de tension continue de sorte que la diode soit polarisée dans le sens direct, la chute de tension à travers la diode restera assez constante sur une large gamme de tensions d’alimentation comme dans la figure(a) ci-dessous .

Le courant à travers une jonction PN polarisée dans le sens direct est proportionnel à e élevé à la puissance de la chute de tension dans le sens direct. Comme il s’agit d’une fonction exponentielle, le courant augmente assez rapidement pour des augmentations modestes de la chute de tension.

Une autre façon de considérer cela est de dire que la tension tombée aux bornes d’une diode polarisée en direct change peu pour de grandes variations du courant de la diode. Dans le circuit illustré à la figure (a) ci-dessous, le courant de la diode est limité par la tension de l’alimentation, la résistance en série et la chute de tension de la diode, qui, comme nous le savons, ne varie pas beaucoup à partir de 0,7 volt.

Référence Si polarisée vers l’avant : (a) diode unique, 0,7V, (b) 10 diodes en série 7,0V.

Si la tension d’alimentation était augmentée, la chute de tension de la résistance augmenterait presque autant, et la tension de la diode baisserait juste un peu. Inversement, une diminution de la tension d’alimentation entraînerait une diminution presque égale de la chute de tension de la résistance, avec juste une petite diminution de la chute de tension de la diode.

En un mot, nous pourrions résumer ce comportement en disant que la diode régule la chute de tension à environ 0,7 volt.

L’utilisation de la régulation de tension

La régulation de tension est une propriété utile de la diode à exploiter. Supposons que nous construisions un type de circuit qui ne puisse pas tolérer les variations de la tension d’alimentation, mais qui doive être alimenté par une batterie chimique, dont la tension varie au cours de sa durée de vie. Nous pourrions former un circuit comme indiqué ci-dessus et connecter le circuit nécessitant une tension constante à travers la diode, où elle recevrait un 0,7 volt immuable.

Cela fonctionnerait certainement, mais la plupart des circuits pratiques, quels qu’ils soient, nécessitent une tension d’alimentation supérieure à 0,7 volt pour fonctionner correctement. Une façon d’augmenter notre point de régulation de la tension consisterait à connecter plusieurs diodes en série de sorte que leurs chutes de tension directe individuelles de 0,7 volt chacune s’additionnent pour créer un total plus important.

Par exemple, dans notre exemple ci-dessus , si nous avions dix diodes en série, la tension régulée serait de dix fois 0,7, soit 7 volts.

Tant que la tension de la batterie ne descend jamais en dessous de 7 volts, il y aurait toujours environ 7 volts chutés à travers la  » pile  » de dix diodes. »

Comment les diodes Zener régulent la tension

Si des tensions régulées plus importantes sont nécessaires, nous pourrions soit utiliser plus de diodes en série (une option inélégante, à mon avis), soit essayer une approche fondamentalement différente.

Nous savons que la tension directe des diodes est un chiffre assez constant dans une large gamme de conditions, mais il en va de même pour la tension de claquage inverse. La tension de claquage est généralement beaucoup, beaucoup plus grande que la tension directe.

Si nous inversions la polarité de la diode dans notre circuit régulateur à diode unique et que nous augmentions la tension d’alimentation jusqu’au point où la diode  » claquait  » (c’est-à-dire qu’elle ne pouvait plus supporter la tension de polarisation inverse imprimée à ses bornes), la diode régulerait de manière similaire la tension à ce point de claquage, ne lui permettant pas d’augmenter davantage. C’est ce que montre la figure(a) ci-dessous.

(a) Une diode de petit signal en Si polarisée en inverse tombe en panne à environ 100V. (b) Symbole de la diode Zener.

Malheureusement, lorsque les diodes de redressement normales  » tombent en panne « , elles le font généralement de manière destructive. Cependant, il est possible de construire un type spécial de diode qui peut gérer la panne sans tomber complètement en panne. Ce type de diode est appelé une diode Zener, et son symbole est illustré dans la figure(b) ci-dessus .

Lorsqu’elles sont en polarisation directe, les diodes Zener se comportent à peu près de la même manière que les diodes redresseuses standard : elles ont une chute de tension directe qui suit  » l’équation de la diode  » et qui est d’environ 0,7 volt. En mode de polarisation inverse, elles ne conduisent pas jusqu’à ce que la tension appliquée atteigne ou dépasse ce que l’on appelle la tension Zener, auquel moment la diode est capable de conduire un courant substantiel, et ce faisant, elle essaiera de limiter la tension tombée à ses bornes à ce point de tension Zener.

Tant que la puissance dissipée par ce courant inverse ne dépasse pas les limites thermiques de la diode, celle-ci ne sera pas endommagée. Pour cette raison, les diodes Zener sont parfois appelées « diodes de claquage ».

Circuit de diodes Zener

Les diodes Zener sont fabriquées avec des tensions Zener allant de quelques volts à des centaines de volts. Cette tension Zener change légèrement avec la température et, comme les valeurs courantes des résistances à composition carbone, peut présenter une erreur de 5 à 10 % par rapport aux spécifications du fabricant. Cependant, cette stabilité et cette précision sont généralement assez bonnes pour que la diode Zener soit utilisée comme dispositif régulateur de tension dans le circuit d’alimentation commun de la figure ci-dessous.

Circuit régulateur à diode Zener, tension Zener = 12,6V).

Fonctionnement de la diode Zener Veuillez noter l’orientation de la diode Zener dans le circuit ci-dessus : la diode est en polarisation inverse, et ce de manière intentionnelle. Si nous avions orienté la diode de façon « normale », de manière à ce qu’elle soit en polarisation directe, elle ne laisserait tomber que 0,7 volt, tout comme une diode redresseuse ordinaire. Si nous voulons exploiter les propriétés de claquage inverse de cette diode, nous devons la faire fonctionner dans son mode de polarisation inverse. Tant que la tension d’alimentation reste supérieure à la tension Zener (12,6 volts, dans cet exemple), la tension chutant aux bornes de la diode Zener restera à environ 12,6 volts.

Comme tout dispositif semi-conducteur, la diode Zener est sensible à la température. Une température excessive détruira une diode zener, et comme elle fait à la fois chuter la tension et conduire le courant, elle produit sa propre chaleur conformément à la loi de Joule (P=IE). Il faut donc veiller à concevoir le circuit du régulateur de manière à ne pas dépasser la puissance nominale de dissipation de la diode. Il est intéressant de noter que lorsque les diodes Zener tombent en panne en raison d’une dissipation de puissance excessive, elles sont généralement court-circuitées plutôt qu’ouvertes. Une diode défaillante de cette manière est facilement détectable : elle fait chuter une tension presque nulle lorsqu’elle est polarisée dans un sens ou dans l’autre, comme un morceau de fil.

Analyse mathématique du circuit de régulation à diodes Zener

Examinons mathématiquement un circuit de régulation à diodes Zener, en déterminant toutes les tensions, tous les courants et toutes les dissipations de puissance. En prenant la même forme de circuit présentée précédemment, nous effectuerons des calculs en supposant une tension Zener de 12,6 volts, une tension d’alimentation de 45 volts et une valeur de résistance série de 1000 Ω (nous considérerons que la tension Zener est exactement de 12.6 volts afin d’éviter d’avoir à qualifier tous les chiffres d' » approximatifs  » dans la figure(a) ci-dessous

Si la tension de la diode Zener est de 12,6 volts et la tension de l’alimentation de 45 volts, il y aura 32,4 volts chutés aux bornes de la résistance (45 volts – 12,6 volts = 32,4 volts). 32,4 volts chutés aux bornes de 1000 Ω donnent 32,4 mA de courant dans le circuit. (Figure ci-dessous (b))

(a) Régulateur de tension Zener avec une résistance de 1000 Ω. (b) Calcul des chutes de tension et du courant.

La puissance est calculée en multipliant le courant par la tension (P=IE), nous pouvons donc calculer les dissipations de puissance à la fois pour la résistance et la diode Zener assez facilement :

Une diode Zener d’une puissance de 0.5 watts serait adéquate, tout comme une résistance évaluée pour 1,5 ou 2 watts de dissipation.

Circuit de diodes Zener avec des résistances plus élevées

Si une dissipation de puissance excessive est préjudiciable, alors pourquoi ne pas concevoir le circuit pour la plus petite dissipation possible ? Pourquoi ne pas simplement dimensionner la résistance pour une valeur de résistance très élevée, limitant ainsi sévèrement le courant et maintenant les chiffres de dissipation de puissance très bas ? Prenez ce circuit, par exemple, avec une résistance de 100 kΩ au lieu d’une résistance de 1 kΩ. Notez que la tension d’alimentation et la tension Zener de la diode dans la figure ci-dessous sont toutes deux identiques au dernier exemple :

Régulateur Zener avec une résistance de 100 kΩ.

Avec seulement 1/100 du courant que nous avions auparavant (324 µA au lieu de 32,4 mA), les deux chiffres de dissipation de puissance devraient être 100 fois plus petits :

Considérations avec la résistance de charge

Cela semble idéal, n’est-ce pas ? Moins de dissipation de puissance signifie des températures de fonctionnement plus basses pour la diode et la résistance, et aussi moins d’énergie gaspillée dans le système, non ? Une valeur de résistance plus élevée réduit effectivement les niveaux de dissipation de puissance dans le circuit, mais elle introduit malheureusement un autre problème. Rappelez-vous que le but d’un circuit régulateur est de fournir une tension stable à un autre circuit. En d’autres termes, nous allons éventuellement alimenter quelque chose avec 12,6 volts, et ce quelque chose aura une consommation de courant qui lui est propre.

Considération de la résistance de chute de valeur inférieure

Considérons notre premier circuit régulateur, cette fois avec une charge de 500 Ω connectée en parallèle avec la diode Zener dans la figure ci-dessous.

Régulateur Zener avec une résistance série de 1000 Ω et une charge de 500 Ω.

Si 12,6 volts sont maintenus aux bornes d’une charge de 500 Ω, la charge consommera 25,2 mA de courant. Pour que la résistance  » chutrice  » de la série 1 kΩ fasse chuter 32,4 volts (réduisant la tension de l’alimentation de 45 volts à 12,6 aux bornes de la Zener), elle doit encore conduire 32,4 mA de courant. Il reste donc 7,2 mA de courant à travers la diode Zener.

Considération d’une résistance chutrice de plus grande valeur

Envisageons maintenant notre circuit de régulateur  » économe en énergie  » avec la résistance chutrice de 100 kΩ, fournissant de l’énergie à la même charge de 500 Ω. Ce qu’il est censé faire est de maintenir 12,6 volts à travers la charge, tout comme le dernier circuit. Cependant, comme nous allons le voir, il ne peut pas accomplir cette tâche. (Figure ci-dessous)

Non-régulateur à Zener avec une résistance série de 100 KΩ et une charge de 500 Ω.>

Avec la plus grande valeur de résistance chutrice en place, il n’y aura qu’environ 224 mV de tension à travers la charge de 500 Ω, bien moins que la valeur attendue de 12,6 volts ! Comment cela se fait-il ? Si nous avions réellement 12,6 volts aux bornes de la charge, elle consommerait 25,2 mA de courant, comme précédemment. Ce courant de charge devrait passer par la résistance chutrice en série comme auparavant, mais avec une nouvelle résistance chutrice (beaucoup plus grande !) en place, la tension chutant aux bornes de cette résistance avec un courant de 25,2 mA serait de 2 520 volts ! Comme nous n’avons évidemment pas une telle tension fournie par la batterie, cela ne peut pas se produire.

Analyse de la résistance chutrice plus élevée sans diode Zener

La situation est plus facile à comprendre si nous retirons temporairement la diode Zener du circuit et analysons le comportement des deux résistances seules dans la figure ci-dessous.

Non-régulateur avec Zener retirée.

La résistance de chute de 100 kΩ et la résistance de charge de 500 Ω sont toutes deux en série, ce qui donne une résistance totale du circuit de 100,5 kΩ. Avec une tension totale de 45 volts et une résistance totale de 100,5 kΩ, la loi d’Ohm (I=E/R) nous indique que le courant sera de 447,76 µA. En calculant les chutes de tension aux bornes des deux résistances (E=IR), nous arrivons à 44,776 volts et 224 mV, respectivement.

Si nous devions réinstaller la diode Zener à ce stade, elle  » verrait  » 224 mV à travers elle aussi, étant en parallèle avec la résistance de charge. C’est bien en dessous de la tension de claquage Zener de la diode et donc elle ne va pas  » tomber en panne  » et conduire le courant. D’ailleurs, à cette faible tension, la diode ne conduirait pas même si elle était polarisée dans le sens direct ! Ainsi, la diode cesse de réguler la tension. Il faut faire tomber au moins 12,6 volts aux bornes pour l' » activer « .

La technique analytique consistant à retirer une diode Zener d’un circuit et à voir si la tension est suffisante ou non pour la faire conduire est judicieuse. Le simple fait qu’une diode Zener se trouve connectée dans un circuit ne garantit pas que la totalité de la tension Zener sera toujours appliquée à ses bornes ! Rappelez-vous que les diodes Zener fonctionnent en limitant la tension à un certain niveau maximal ; elles ne peuvent pas compenser un manque de tension.

Règle dans le fonctionnement de la régulation par diode Zener

En résumé, tout circuit de régulation par diode Zener fonctionnera tant que la résistance de la charge sera égale ou supérieure à une certaine valeur minimale. Si la résistance de la charge est trop faible, elle absorbera trop de courant, faisant chuter trop de tension aux bornes de la résistance de chute en série, laissant une tension insuffisante aux bornes de la diode Zener pour la rendre conductrice. Lorsque la diode Zener cesse de conduire le courant, elle ne peut plus réguler la tension, et la tension de charge tombera en dessous du point de régulation.

Calcul de la résistance de charge pour certaines résistances chutrices

Notre circuit régulateur avec la résistance chutrice de 100 kΩ doit être bon pour une certaine valeur de résistance de charge, cependant. Pour trouver cette valeur de résistance de charge acceptable, nous pouvons utiliser un tableau pour calculer la résistance dans le circuit série à deux résistances (sans diode), en insérant les valeurs connues de la tension totale et de la résistance de la résistance chutrice, et en calculant pour une tension de charge attendue de 12.6 volts:

Avec 45 volts de tension totale et 12,6 volts aux bornes de la charge, nous devrions avoir 32,4 volts aux bornes de la résistance chutrice:

Avec 32.4 volts aux bornes de la résistance de chute, et 100 kΩ de résistance dans celle-ci, le courant qui la traverse sera de 324 µA:

Etant un circuit en série, le courant est égal dans tous les composants à tout moment :

Le calcul de la résistance de charge est maintenant une simple question de loi d’Ohm (R = E/I), ce qui nous donne 38.889 kΩ:

Donc, si la résistance de la charge est exactement de 38,889 kΩ, il y aura 12,6 volts à travers elle, diode ou pas. Toute résistance de charge inférieure à 38,889 kΩ entraînera une tension de charge inférieure à 12,6 volts, diode ou pas. Avec la diode en place, la tension de charge sera régulée à un maximum de 12,6 volts pour toute résistance de charge supérieure à 38,889 kΩ.

Avec la valeur originale de 1 kΩ pour la résistance chutrice, notre circuit régulateur était capable de réguler adéquatement la tension même pour une résistance de charge aussi faible que 500 Ω. Ce que nous voyons est un compromis entre la dissipation de puissance et la résistance de charge acceptable. La résistance de chute de valeur plus élevée nous a donné moins de dissipation de puissance, au détriment de l’augmentation de la valeur de résistance de charge minimale acceptable. Si nous souhaitons réguler la tension pour des résistances de charge de faible valeur, le circuit doit être préparé à gérer une dissipation de puissance plus élevée.

Comment les diodes Zener font la régulation de tension

Les diodes Zener régulent la tension en agissant comme des charges complémentaires, en tirant plus ou moins de courant selon les besoins pour assurer une chute de tension constante à travers la charge. Cela est analogue à la régulation de la vitesse d’une automobile par le freinage plutôt que par la variation de la position de l’accélérateur : non seulement c’est du gaspillage, mais les freins doivent être construits pour gérer toute la puissance du moteur lorsque les conditions de conduite ne l’exigent pas.

Malgré cette inefficacité fondamentale de la conception, les circuits régulateurs à diodes Zener sont largement employés en raison de leur simplicité même. Dans les applications de haute puissance où les inefficacités seraient inacceptables, d’autres techniques de régulation de la tension sont appliquées. Mais même dans ce cas, les petits circuits à base de diodes Zener sont souvent utilisés pour fournir une tension de « référence » afin de piloter un circuit amplificateur plus efficace contrôlant la puissance principale.

Tensions courantes des diodes Zener

Les diodes Zener sont fabriquées dans des tensions standard répertoriées dans le tableau ci-dessous. Le tableau « Tensions communes des diodes Zener » répertorie les tensions communes pour les pièces de 0,3W et 1,3W. La puissance correspond à la taille de la puce et du boîtier et est la puissance que la diode peut dissiper sans dommage.

Tensions courantes des diodes Zener

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Écrêteur à diode Zener : Un circuit d’écrêtage qui écrête les pics de la forme d’onde à environ la tension Zener des diodes. Le circuit de la figure ci-dessous comporte deux Zener connectées en série en opposition pour écrêter symétriquement une forme d’onde à presque la tension Zener. La résistance limite le courant tiré par les Zeners à une valeur sûre.

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*SPICE 03445.eps D1 4 0 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .model diode d bv=10 .tran 0.001m 2m .end 

Éclateur à diode Zener :

La tension de claquage Zener des diodes est fixée à 10 V par le paramètre de modèle de diode « bv=10 » dans la liste des réseaux spice de la figure ci-dessus. Cela entraîne l’écrêtage des Zener à environ 10 V. Les diodes dos à dos écrêtent les deux pics. Pour un demi-cycle positif, la diode Zener supérieure est polarisée en inverse et se désintègre à la tension Zener de 10 V. La diode Zener inférieure chute d’environ 0,7 V puisqu’elle est polarisée en direct. Ainsi, un niveau d’écrêtage plus précis est 10+0,7=10,7V. Un écrêtage négatif similaire en demi-cycle se produit à -10,7 V. (La figure ci-dessous) montre le niveau d’écrêtage à un peu plus de ±10 V.

Éclateur à diode Zener : l’entrée v(1) est écrêtée à la forme d’onde v(2).

REVUE :

• Les diodes Zener sont conçues pour fonctionner en mode de polarisation inverse, fournissant une tension de claquage, ou tension Zener, relativement faible et stable à laquelle elles commencent à conduire un courant inverse substantiel.
• Une diode Zener peut fonctionner comme un régulateur de tension en agissant comme une charge accessoire, en tirant plus de courant de la source si la tension est trop élevée, et moins si elle est trop basse.

Fiches de travail reliées:

• Fiche de travail sur les diodes Zener
• Projet de conception : Feuille de travail sur le régulateur de tension continue

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