O diodă semiconductoare blochează curentul în direcție inversă, dar va suferi defecțiuni sau străpungere prematură dacă tensiunea inversă aplicată pe ea este prea mare. Dar, dioda Zener sau "Dioda de străpungere", este în esență aceeași ca dioda joncțiune PN standard, dar special concepută pentru a avea o tensiune de străpungere reversibilă mică și specificată, care profită de orice tensiune inversă aplicată ei.

Dioda Zener se comportă la fel ca o diodă de scop general normală, constând dintr-o joncțiune PN de siliciu, atunci când este polarizată direct, anod pozitiv în raport cu catodul, permițând să circule curentul nominal.

Dar, spre deosebire de o diodă convențională care blochează orice flux de curent prin ea când se polarizează invers, sau catodul devine mai pozitiv decât anodul, de îndată ce tensiunea inversă atinge o valoare prestabilită, dioda zener începe să conducă în direcție inversă.

Acest lucru se datorează faptului că un proces numit străpungere în avalanșă apare în stratul de epuizare a semiconductorului și un curent începe să curgă prin diodă pentru a limita această creștere a tensiunii.

Curentul care curge acum prin dioda zener crește dramatic la valoarea maximă a circuitului (care este de obicei limitată de un rezistor serie) și, odată atins, acest curent de saturație inversă rămâne destul de constant pe o gamă largă de tensiuni inverse. Punctul de tensiune, la care tensiunea pe dioda zener devine stabilă, se numește "tensiune zener" (Vz), iar pentru diodele zener această tensiune poate varia de la mai puțin de un volt până la câteva sute de volți.

Punctul la care tensiunea zener declanșează curentul să circule prin diodă poate fi controlat foarte precis (la o toleranță mai mică de 1%) în stadiul de dopare al construcției semiconductoare a diodelor, oferind diodei o anumită tensiune de străpungere zener (Vz) pentru exemplu, 4,3 V sau 7,5 V. Această tensiune de străpungere zener pe curba I-V este aproape o linie dreaptă verticală.

Caracteristici I-V ale diodei Zener

Dioda Zener este utilizată în „polarizare inversă“ sau mod de străpungere inversă, adică anodul diodei conectat la sursa negativă. Din curba caracteristicilor I-V de mai sus, putem vedea că dioda zener are o regiune în caracteristicile de polarizare inversă cu o tensiune negativă aproape constantă, indiferent de valoarea curentului care trece prin diodă, și rămâne aproape constantă chiar și cu variații mari de curent, în timp ce curentul diodelor zener rămâne între curentul de străpungere IZ(min) și curentul nominal maxim IZ(max).

Această abilitate de a se controla ea însăși poate fi utilizată cu mare efect pentru a regla sau stabiliza o sursă de tensiune față de variațiile de alimentare sau sarcină. Faptul că tensiunea pe diodă în regiunea de străpungere este aproape constantă se dovedește a fi o caracteristică importantă a diodei zener, deoarece poate fi folosită în cele mai simple tipuri de aplicații de reglare a tensiunii.

Funcția unui regulator este de a furniza o tensiune de ieșire constantă la o sarcină conectată în paralel cu acesta, în ciuda riplurilor în tensiunea de alimentare sau variația curentului de sarcină, iar dioda zener va continua să regleze tensiunea până când curentul diodelor scade sub valoarea minimă IZ(min) în regiunea de străpungere inversă.

Regulator cu diode Zener

Diodele Zener pot fi utilizate pentru a produce o ieșire de tensiune stabilizată, cu un riplu redus, în condiții de sarcină variată. Prin trecerea unui curent mic prin diodă dintr-o sursă de tensiune, prin intermediul unui rezistor de limitare a curentului adecvat (RS), dioda zener va conduce un curent suficient pentru a menține o cădere de tensiune Vout.

Ne amintim că tensiunea de ieșire DC de la redresoarele mono- sau dublă-alternanță conține un riplu suprapus peste tensiunea DC și că, deoarece valoarea sarcinii se modifică și tensiunea medie de ieșire se modifică. Prin conectarea unui circuit simplu de stabilizare cu zener, așa cum se arată mai jos, pe ieșirea redresorului, se poate produce o tensiune de ieșire mai stabilă.

Rezistorul RS este conectat în serie cu dioda Zener pentru a limita curentul prin diodă, cu sursa de tensiune VS conectată la întreaga combinație. Tensiunea de ieșire stabilizată Vout este preluată de pe dioda zener. Dioda zener este conectată cu catodul aflat la șina pozitivă a alimentării DC, astfel încât este polarizată invers și va funcționa în starea sa de străpungere. Rezistorul RS este selectat astfel încât să limiteze curentul maxim care circulă în circuit.

Fără sarcină conectată la circuit, curentul de sarcină va fi zero, (IL = 0), iar întregul curent din circuit trece prin dioda zener care, la rândul său, disipează puterea ei maximă. De asemenea, o mică valoare a rezistorului serie RS va avea ca rezultat un curent mai mare prin diodă, atunci când rezistența de sarcină RL este conectată și mare, deoarece aceasta va crește cerința diodei de disipare a puterii, astfel încât trebuie să se țină seama atunci când se selectează valoarea corespunzătoare a rezistenței serie, astfel încât puterea nominală maximă a diodei zener să nu fie depășită în această stare de fără sarcină sau de înaltă impedanță.

Sarcina este conectată în paralel cu dioda zener, astfel încât tensiunea pe RL este întotdeauna aceeași cu tensiunea zener (VR = VZ). Există un curent zener minim pentru care stabilizarea tensiunii este eficientă, iar curentul zener trebuie să rămână în permanență peste această valoare, funcționând sub sarcină în regiunea sa de străpungere. Limita superioară a curentului este, desigur, dependentă de puterea nominală a dispozitivului. Tensiunea de alimentare VS trebuie să fie mai mare decât VZ.

O mică problemă a circuitelor de stabilizare cu dioda zener este faptul că dioda poate genera uneori zgomot electric pe partea superioară a alimentării DC, deoarece încearcă să stabilizeze tensiunea. În mod normal, acest lucru nu este o problemă pentru majoritatea aplicațiilor, dar adăugarea unui condensator de decuplare de mare valoare pe ieșirea zenerului poate fi necesară pentru a obține o netezire suplimentară.

Deci, o diodă zener este operată întotdeauna în condiția de polarizare inversă. Un circuit de reglare a tensiunii poate fi proiectat folosind o diodă zener pentru a menține o tensiune constantă de ieșire DC pe sarcină în ciuda variațiilor tensiunii de intrare sau a modificărilor în curentul de sarcină. Regulatorul de tensiune cu zener constă dintr-un rezistor RS de limitare a curentului conectat în serie cu tensiunea de intrare VS, cu dioda Zener conectată în paralel cu sarcina RL, în această condiție de polarizare inversă. Tensiunea de ieșire stabilizată este selectată întotdeauna să fie aceeași cu tensiunea de străpungere VZ a diodei.

Dioda Zener. Exemplu nr. 1

O sursă de alimentare stabilizată de 5 V trebuie produsă dintr-o sursă de alimentare de 12 V DC. Puterea maximă PZ a diodei zener este de 2W. Utilizând circuitul de reglare cu zener de mai sus calculați:

a). Curentul maxim care curge prin dioda zener.

b). Valoarea minimă a rezistorului serie RS

c). Curentul de sarcină IL în cazul în care un rezistor de sarcină de 1 k este conectat la dioda Zener.

Tensiunile diodei Zener

Pe lângă producerea unei singure ieșiri de tensiune stabilizată, diodele zener pot fi conectate împreună în serie împreună cu diode de semnal cu siliciu normale pentru a produce o varietate de valori de tensiuni de referință diferite la ieșire, după cum se arată mai jos.

Diode Zener conectate în serie

Valorile diodelor Zener individuale pot fi alese pentru a se adapta aplicației, în timp ce dioda de siliciu va scădea întotdeauna în jur de 0,6 - 0,7 V în condiția de polarizare directă. Tensiunea de alimentare Vin trebuie să fie, desigur, mai mare decât cea mai mare tensiune de referință de ieșire și în exemplul nostru de mai sus acest lucru este 19 V.

O diodă zener tipică pentru circuitele electronice generale este seria BZX55 de 500 mW sau seria BZX55 mai mare de 1,3 W, seria BZX85 unde tensiunea zener este dată ca, de exemplu C7V5 pentru o diodă de 7,5 V, care oferă numărul de referință pentru diodă BZX55C7V5.

Seria de 500 mW de diode zener este disponibilă de la aproximativ 2,4 până la aproximativ 100 de volți și are în mod obișnuit aceeași secvență de valori ca cea folosită pentru seria rezistoarelor de 5% (E24) cu tensiuni nominale individuale pentru aceste diode mici, dar foarte utile, tabelul de mai jos.

Tensiuni standard pentru diode Zener

Circuite de limitare cu diode Zener

Până acum ne-am uitat la modul în care o diodă zener poate fi folosită pentru a reglementa o sursă constantă DC, dar ce se întâmplă dacă semnalul de intrare nu a fost starea de echilibru DC, ci o formă de undă alternativă AC? Cum ar reacționa dioda zener la un semnal în continuă schimbare.

Circuitele de tăiere și de limitare cu diode sunt circuite care sunt utilizate pentru a modela sau modifica o formă de undă de intrare AC (sau orice sinusoidă) producând o formă de undă de ieșire diferită, în funcție de aranjamentul de circuit. Circuitele de tăiere cu diodă sunt, de asemenea, numite limitatoare deoarece limitează sau elimină partea pozitivă (sau negativă) a unui semnal de intrare AC. Deoarece circuitele de tăiere Zener limitează sau decupează o parte a formei de undă de pe ele, acestea sunt utilizate în principal pentru protecția circuitului sau în circuitele de modelare a formelor de undă.

De exemplu, dacă am dori să limităm o formă de undă de ieșire la + 7,5 V, am folosi o diodă zener de 7,5 V. În cazul în care forma de undă de ieșire încearcă să depășească limita de 7,5 V, dioda zener va "tăia" tensiunea excesivă de la intrare, producând o formă de undă cu un vârf plat, păstrând încă ieșirea constantă la +7,5 V. Rețineți că în condiția de polarizare directă o diodă zener este o diodă și când ieșirea formei de undă AC devine negativă sub - 0,7 V, dioda zener comută "ON" ca orice diodă cu siliciu normală și va limita ieșirea la - 0,7 V așa cum este arătat de mai jos.

Semnal de undă dreptunghiulară

Diodele zener conectate "spate în spate" pot fi utilizate ca regulator de curent alternativ, care produc ceea ce este denumit în mod glumeț "generator de undă dreptunghiulară pentru săraci". Folosind acest aranjament putem limita forma de undă între o valoare pozitivă de + 8,2 V și o valoare negativă de -8,2 V pentru o diodă zener 7,5 V.

De exemplu, dacă vrem să limităm o formă de undă de ieșire între două valori minimă și maximă diferite, de exemplu + 8 V și - 6 V, am folosi pur și simplu două diode zener diferite. Rețineți că ieșirea va limita de fapt forma de undă AC între + 8,7 V și -6,7 V datorită adăugării tensiunii pe dioda polarizață direct.

Cu alte cuvinte, o tensiune vârf la vârf de 15,4 volți în loc de 14 volți așteptați, deoarece căderea de tensiune de polarizare directă pe diodă adaugă încă 0,7 volți în fiecare direcție.

Acest tip de configurație a limitatorului este destul de comun pentru protejarea unui circuit electronic de supra-tensiune. Cele două zenere sunt amplasate în general pe bornele de intrare ale sursei de alimentare și în timpul funcționării normale, una dintre diodele zener este "OFF", iar diodele au un efect mic sau deloc. Dar, dacă forma de undă de tensiune de intrare depășește limita sa, atunci zenerele comută "ON" și limitează intrarea pentru a proteja circuitul.

În tutorialul următor despre diode, vom analiza utilizarea joncțiunii PN a unei diode polarizate direct pentru a produce lumină. Știm că, atunci când purtătorii de sarcină se deplasează prin joncțiune, electronii se combină cu goluri, iar energia se pierde sub formă de căldură, dar o parte din această energie este disipată ca fotoni, dar nu le putem vedea.

Dacă plasăm o lentilă translucidă în jurul joncțiunii, va fi produsă lumină vizibilă și dioda devine o sursă de lumină. Acest efect produce un alt tip de diodă cunoscut în mod obișnuit ca diodă emițătoare de lumină, care profită de această caracteristică producătoare de lumină pentru a emite lumină (fotoni) într-o varietate de culori și lungimi de undă.

REFERINȚE:

Dioda Zener

Dioda semiconductoare

Stabilizator de tensiune