O que são Díodos Zener?

O que é um Díodo Zener?

Um Díodo Zener é um tipo especial de díodo rectificador que pode lidar com avarias devido a tensão de avaria inversa sem falhar completamente. Aqui discutiremos o conceito de utilizar díodos para regular a queda de tensão e como o díodo Zener funciona em modo de polarização inversa para regular a tensão num circuito.

Como os díodos regulam a queda de tensão

Se ligarmos um díodo e uma resistência em série com uma fonte de tensão DC de modo a que o díodo seja polarizado para a frente, a queda de tensão através do díodo permanecerá bastante constante numa vasta gama de tensões de alimentação como na figura(a) abaixo .

A corrente através de uma junção PN polarizada para a frente é proporcional à e elevada à potência da queda de tensão para a frente. Como esta é uma função exponencial, a corrente aumenta muito rapidamente para aumentos modestos da queda de tensão.

Outra forma de considerar isto é dizer que a queda de tensão através de um díodo tendencioso para a frente muda pouco para grandes variações na corrente do díodo. No circuito mostrado na figura (a) abaixo, a corrente do díodo é limitada pela tensão da fonte de alimentação, a resistência de série, e a queda de tensão do díodo, que como sabemos não varia muito de 0,7 volts.

Referência de Si enviesado para a frente: (a) díodo único, 0,7V, (b) 10-díodos na série 7,0V.

Se a tensão de alimentação fosse aumentada, a queda de tensão da resistência aumentaria quase a mesma quantidade, e a tensão do díodo cairia apenas um pouco. Pelo contrário, uma diminuição da tensão de alimentação resultaria numa diminuição quase igual na queda de tensão da resistência, com apenas uma pequena diminuição na queda de tensão do díodo.

Numa palavra, poderíamos resumir este comportamento dizendo que o díodo está a regular a queda de tensão a aproximadamente 0,7 volts.

A Utilização da Regulação da Tensão

Regulação da Tensão é uma propriedade útil do díodo a explorar. Suponha-se que estávamos a construir algum tipo de circuito que não podia tolerar variações na tensão de alimentação, mas precisava de ser alimentado por uma bateria química, cuja tensão muda ao longo da sua vida útil. Poderíamos formar um circuito como mostrado acima e ligar o circuito que exigisse uma tensão constante através do díodo, onde receberia uma tensão constante de 0,7 volts.

Isto funcionaria certamente, mas a maioria dos circuitos práticos de qualquer tipo exigem uma tensão de alimentação superior a 0,7 volts para funcionar correctamente. Uma forma de aumentarmos o nosso ponto de regulação de tensão seria ligar vários díodos em série, de modo a que as suas quedas individuais de tensão frontal de 0,7 volts cada uma aumentassem para criar um total maior.

Por exemplo, no nosso exemplo acima, se tivéssemos dez díodos em série, a tensão regulada seria dez vezes 0,7, ou 7 volts.

Desde que a tensão da bateria nunca fosse inferior a 7 volts, haveria sempre cerca de 7 volts a cair através da “pilha” de dez díodos.”

Como os díodos Zener regulam a tensão

Se forem necessárias tensões reguladas maiores, poderíamos ou usar mais díodos em série (uma opção pouco elegante, na minha opinião) ou tentar uma abordagem fundamentalmente diferente.

Sabemos que a tensão de avanço dos díodos é um valor bastante constante sob uma vasta gama de condições, mas o mesmo acontece com a tensão de ruptura inversa. A tensão de ruptura é tipicamente muito, muito maior do que a tensão dianteira.

Se invertermos a polaridade do díodo no nosso circuito regulador de díodo único e aumentarmos a tensão de alimentação até ao ponto em que o díodo “avariou” (ou seja, já não conseguia suportar a tensão de polarização inversa impressa através dele), o díodo regularia de forma semelhante a tensão nesse ponto de ruptura, não permitindo que esta aumentasse ainda mais. Isto é mostrado na figura(a) abaixo.

(a) O díodo Si de pequeno sinal invertido avaria-se a cerca de 100V. (b) Símbolo para o díodo Zener.

Infelizmente, quando os díodos rectificadores normais “avariam”, normalmente fazem-no de forma destrutiva. No entanto, é possível construir um tipo especial de díodo que consiga lidar com a avaria sem falhar completamente. Este tipo de díodo é chamado de díodo Zener, e o seu símbolo é mostrado na figura(b) acima .

Quando tendenciosos para a frente, os díodos Zener comportam-se muito como os díodos rectificadores normais: têm uma queda de tensão para a frente que segue a “equação do díodo” e é cerca de 0,7 volts. No modo de polarização inversa, não conduzem até a tensão aplicada atingir ou exceder a chamada tensão Zener, ponto em que o díodo é capaz de conduzir uma corrente substancial, e ao fazê-lo tentará limitar a queda de tensão através dele até esse ponto de tensão Zener.

desde que a potência dissipada por esta corrente inversa não exceda os limites térmicos do díodo, o díodo não será danificado. Por esta razão, os díodos Zener são por vezes referidos como “díodos de ruptura”

Circuito de Díodos Zener

Díodos Zener são fabricados com tensões Zener que variam entre alguns volts e centenas de volts. Esta tensão Zener muda ligeiramente com a temperatura, e tal como os valores comuns da resistência de composição de carbono, pode estar entre 5% a 10% por erro em relação às especificações do fabricante. Contudo, esta estabilidade e precisão é geralmente suficiente para que o díodo Zener seja utilizado como dispositivo regulador de tensão no circuito de alimentação comum na figura abaixo.

circuito regulador do díodo Zener, tensão Zener = 12.6V).

Operação do Díodo Zener Por favor, tome nota da orientação do díodo Zener no circuito acima: o díodo é polarizado inverso, e intencionalmente. Se tivéssemos orientado o díodo de forma “normal”, de modo a ser tendencioso para a frente, este apenas cairia 0,7 volts, tal como um díodo rectificador normal. Se quisermos explorar as propriedades de avaria inversa deste díodo, devemos operá-lo no seu modo de inversão de polarização. Enquanto a tensão de alimentação permanecer acima da tensão Zener (12,6 volts, neste exemplo), a tensão que cairá através do díodo Zener permanecerá aproximadamente a 12,6 volts.

Como qualquer dispositivo semicondutor, o díodo Zener é sensível à temperatura. A temperatura excessiva destruirá um díodo zener, e porque tanto baixa a tensão como conduz a corrente, produz o seu próprio calor de acordo com a Lei de Joule (P=IE). Portanto, deve-se ter o cuidado de conceber o circuito regulador de tal forma que o grau de dissipação de potência do díodo não seja excedido. Curiosamente, quando os díodos Zener falham devido à excessiva dissipação de energia, normalmente falham em curto-circuito em vez de se abrirem. Um díodo falhou desta forma é prontamente detectado: cai quase zero voltagem quando tendenciosamente, como um pedaço de fio.

Análise matemática do circuito regulador do díodo Zener

Vamos examinar matematicamente um circuito regulador do díodo Zener, determinando todas as voltagens, correntes, e dissipações de potência. Tomando a mesma forma de circuito mostrada anteriormente, efectuaremos cálculos assumindo uma tensão Zener de 12,6 volts, uma tensão de alimentação de 45 volts, e um valor de resistência de série de 1000 Ω (consideraremos a tensão Zener como sendo exactamente 12.6 volts, de modo a evitar ter de qualificar todos os valores como “aproximados” na Figura(a) abaixo

Se a tensão do díodo Zener for 12,6 volts e a tensão da fonte de alimentação for 45 volts, haverá uma queda de 32,4 volts através da resistência (45 volts – 12,6 volts = 32,4 volts). 32,4 volts descidos através de 1000 Ω dá 32,4 mA de corrente no circuito. (Figura abaixo (b))

(a) Zener Regulador de tensão com resistor 1000 Ω. (b) Cálculo das quedas de voltagem e corrente.

P>A potência é calculada multiplicando a corrente pela voltagem (P=IE), para que possamos calcular facilmente as dissipações de potência tanto para a resistência como para o díodo Zener:

Um díodo Zener com uma potência nominal de 0.5 watts seria adequado, tal como uma resistência classificada para 1,5 ou 2 watts de dissipação.

Circuito de Díodo Zener com Resistências Mais Elevadas

Se a dissipação excessiva de energia é prejudicial, então porque não projectar o circuito para a menor quantidade de dissipação possível? Porque não dimensionar apenas a resistência para um valor de resistência muito elevado, limitando assim severamente a corrente e mantendo os valores de dissipação de energia muito baixos? Tomemos este circuito, por exemplo, com uma resistência de 100 kΩ em vez de uma resistência de 1 kΩ. Note-se que tanto a tensão de alimentação como a tensão Zener do díodo na figura abaixo são idênticas ao último exemplo:

Regulador Zener com 100 kΩ resistor.

Com apenas 1/100 da corrente que tínhamos antes (324 µA em vez de 32,4 mA), ambos os valores de dissipação de energia deveriam ser 100 vezes menores:

Considerações com resistência de carga

Parece ideal, não é? Menos dissipação de energia significa temperaturas de funcionamento mais baixas tanto para o díodo como para a resistência, e também menos energia desperdiçada no sistema, certo? Um maior valor de resistência reduz os níveis de dissipação de energia no circuito, mas infelizmente introduz outro problema. Lembre-se que o objectivo de um circuito regulador é fornecer uma tensão estável para outro circuito. Por outras palavras, acabaremos por alimentar algo com 12,6 volts, e este algo terá um desenho de corrente próprio.

Ponderação de resistência de queda de valor inferior

Considerar o nosso primeiro circuito regulador, desta vez com uma carga 500 Ω ligada em paralelo com o díodo Zener na figura abaixo.

Regulador Zener com resistência de série 1000 Ω e 500 Ω load.

Se 12,6 volts for mantido através de uma carga de 500 Ω, a carga absorverá 25,2 mA de corrente. Para que a resistência de “queda” da série 1 kΩ caia 32,4 volts (reduzindo a tensão da fonte de alimentação de 45 volts para 12,6 através do Zener), ainda tem de conduzir 32,4 mA de corrente. Isto deixa 7,2 mA de corrente através do díodo Zener.

Alto valor de queda de resistência Consideração

Agora considere o nosso circuito regulador de “poupança de energia” com a resistência de queda de 100 kΩ, fornecendo energia à mesma carga de 500 Ω. O que é suposto fazer é manter 12,6 volts através da carga, tal como o último circuito. Contudo, como veremos, não pode realizar esta tarefa. (Figura abaixo)

Zener non-regulator with 100 KΩ series resistor with 500 Ω load.>

Com o maior valor de resistência de queda no lugar, haverá apenas cerca de 224 mV de tensão através da carga de 500 Ω, muito menos do que o valor esperado de 12,6 volts! Porque é que isto acontece? Se tivéssemos de facto 12,6 volts através da carga, ela iria absorver 25,2 mA de corrente, como antes. Esta corrente de carga teria de passar pela resistência de queda de série, como antes, mas com uma nova resistência de queda (muito maior!) no lugar, a voltagem caída através dessa resistência com 25,2 mA de corrente passando por ela seria de 2.520 volts! Uma vez que obviamente não temos tanta voltagem fornecida pela bateria, isto não pode acontecer.

Análise da resistência de queda sem Díodo Zener

A situação é mais fácil de compreender se removermos temporariamente o díodo Zener do circuito e analisarmos apenas o comportamento das duas resistências na figura abaixo.

Não-regulador com Zener removido.

Bem a resistência de queda 100 kΩ e a resistência de carga 500 Ω estão em série umas com as outras, dando uma resistência total do circuito de 100,5 kΩ. Com uma tensão total de 45 volts e uma resistência total de 100,5 kΩ, a Lei de Ohm (I=E/R) diz-nos que a corrente será de 447,76 µA. Figurando quedas de tensão através de ambas as resistências (E=IR), chegamos a 44,776 volts e 224 mV, respectivamente.

Se fossemos reinstalar o díodo Zener neste ponto, ele “veria” 224 mV através dele também, estando em paralelo com a resistência de carga. Isto está muito abaixo da tensão de ruptura Zener do díodo e por isso não “quebrará” e conduzirá a corrente. Aliás, a esta baixa voltagem, o díodo não conduziria mesmo que estivesse enviesado para a frente! Assim, o díodo deixa de regular a voltagem. Pelo menos 12,6 volts devem ser largados para “activá-lo”.

A técnica analítica de remover um díodo Zener de um circuito e ver se existe ou não tensão suficiente para o fazer conduzir é acústica. Só porque um díodo Zener está ligado num circuito, não garante que a tensão Zener total seja sempre descartada através dele! Lembre-se que os díodos Zener funcionam limitando a voltagem a um nível máximo; não podem compensar a falta de voltagem.

Regra no funcionamento de regulação de díodos Zener

Em resumo, qualquer circuito de regulação de díodos Zener funcionará desde que a resistência da carga seja igual ou superior a algum valor mínimo. Se a resistência da carga for demasiado baixa, irá absorver demasiada corrente, baixando demasiada tensão através da resistência de queda de série, deixando uma tensão insuficiente através do díodo Zener para o fazer conduzir. Quando o díodo Zener pára de conduzir a corrente, já não consegue regular a tensão, e a tensão da carga cairá abaixo do ponto de regulação.

Calcular a resistência de carga para certas resistências de queda

O nosso circuito regulador com a resistência de queda de 100 kΩ deve ser bom para algum valor de resistência de carga, no entanto. Para encontrar este valor aceitável de resistência de carga, podemos utilizar uma tabela para calcular a resistência no circuito da série de dois resistores (sem díodo), inserindo os valores conhecidos da tensão total e da resistência de queda, e calculando para uma tensão de carga esperada de 12.6 volts:

Com 45 volts de tensão total e 12,6 volts através da carga, devemos ter 32,4 volts através de Rdropping:

Com 32.4 volts através da resistência de queda, e 100 kΩ valor de resistência nele, a corrente através dele será de 324 µA:

sendo um circuito em série, a corrente é igual através de todos os componentes em qualquer momento:

Calcular a resistência de carga é agora uma questão simples da Lei de Ohm (R = E/I), dando-nos 38.889 kΩ:

p> Assim, se a resistência de carga for exactamente 38,889 kΩ, haverá 12,6 volts através dela, diodo ou nenhum diodo. Qualquer resistência de carga inferior a 38.889 kΩ resultará numa tensão de carga inferior a 12,6 volts, díodo ou sem díodo. Com o díodo no lugar, a tensão de carga será regulada até um máximo de 12,6 volts para qualquer resistência de carga superior a 38.889 kΩ.

Com o valor original de 1 kΩ para a resistência de queda, o nosso circuito regulador foi capaz de regular adequadamente a tensão mesmo para uma resistência de carga tão baixa como 500 Ω. O que vemos é um tradeoff entre dissipação de energia e resistência de carga aceitável. O valor mais elevado da resistência de queda deu-nos menos dissipação de energia, à custa de aumentar o valor mínimo aceitável da resistência de carga. Se quisermos regular a tensão para resistências de carga de baixo valor, o circuito deve estar preparado para lidar com uma maior dissipação de energia.

Como o Diodo Zener do Regulação de Tensão

Díodos Zener regulam a tensão actuando como cargas complementares, extraindo mais ou menos corrente conforme necessário para assegurar uma queda de tensão constante através da carga. Isto é análogo à regulação da velocidade de um automóvel por travagem em vez de variar a posição do acelerador: não só é um desperdício, como os travões devem ser construídos para lidar com toda a potência do motor quando as condições de condução não o exigem.

Apesar desta ineficiência fundamental de concepção, os circuitos reguladores de díodos Zener são largamente utilizados devido à sua simplicidade pura. Em aplicações de alta potência onde as ineficiências seriam inaceitáveis, são aplicadas outras técnicas de regulação de tensão. Mas mesmo assim, pequenos circuitos baseados em Zener são frequentemente utilizados para fornecer uma tensão de “referência” para conduzir um circuito amplificador mais eficiente controlando a potência principal.

Tensões de Díodos Zener comuns

Díodos Zener são fabricados em tensões nominais padrão listadas na Tabela abaixo. A tabela “Tensões dos díodos Zener comuns” lista as tensões comuns para peças de 0,3W e 1,3W. A voltagem corresponde ao molde e tamanho da embalagem e é a potência que o díodo pode dissipar sem danos.

2.7V

0.5W
3.0V	3.3V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V
5.1V	5.6V	6.2V	6.8V	7.5V	8.2V	9.1V
10V	11V	12V	13V	15V	16V	18V
20V	24V	27V	30V
1.3W
4.7V	5.1V	5.6V	6.2V	6.8V	7.5V	8.2V
9.1V	10V	11V	12V	13V	15V	16V
18V	20V	22V	24V	27V	30V	33V
36V	39V	43V	47V	51V	56V	62V
68V	75V	100V	200V

cortador de díodos Zener: Um circuito de recorte que recorta os picos de forma de onda aproximadamente à voltagem Zener dos díodos. O circuito da figura abaixo tem dois Zeners ligados em série que se opõem a cortar simetricamente uma forma de onda a quase a voltagem Zener. A resistência limita a corrente puxada pelos zeners a um valor seguro.

p>

*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

Zener dio clipper:

A tensão de ruptura Zener para os díodos é definida em 10 V pelo parâmetro do modelo de díodo “bv=10” na lista da rede de especiarias na figura acima. Isto faz com que os zeners se grampeiem a cerca de 10 V. Os díodos back-to-back grampeiam ambos os picos. Para um meio-ciclo positivo, o Zener superior é polarizado para trás, quebrando-se à tensão Zener de 10 V. O Zener inferior cai aproximadamente 0,7 V, uma vez que é polarizado para a frente. Assim, um nível de recorte mais preciso é 10+0,7=10,7V. Um corte de meio ciclo negativo semelhante ocorre a -10,7 V. (Figura abaixo) mostra o nível de recorte a um pouco mais de ±10 V.

Cortador de díodos Zener: v(1) entrada é cortada em forma de onda v(2).

REVISÃO:

• Díodos Zener são concebidos para serem operados em modo de polarização inversa, fornecendo uma avaria relativamente baixa e estável, ou tensão Zener na qual começam a conduzir uma corrente inversa substancial.
• Um díodo Zener pode funcionar como regulador de tensão actuando como uma carga acessória, extraindo mais corrente da fonte se a tensão for demasiado alta, e menos se for demasiado baixa.

FOLHAS DE TRABALHO RELACIONADAS:

• Ficha de Trabalho de Díodos Zener
• Projecto de Desenho: Ficha de Trabalho do Regulador de Tensão DC