Circuitos de diodo Zener, características, cálculos

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Os diodos Zener - nomeados em homenagem ao seu inventor, Dr. Carl Zener, são usados ​​fundamentalmente em circuitos eletrônicos para gerar referências de tensão precisas. Esses são dispositivos capazes de criar uma tensão praticamente constante entre eles, independentemente das variações no circuito e nas situações de tensão.

Externamente, você pode encontrar diodos zener muito semelhantes aos diodos padrão, como 1N4148. Os diodos Zener também funcionam retificando AC em DC pulsante, como suas alternativas tradicionais. No entanto, ao contrário dos diodos retificadores padrão, os diodos zener são configurados com seu cátodo conectado diretamente com o positivo da alimentação e o ânodo com a alimentação negativa.



Características

Em sua configuração padrão, os diodos Zener exibem uma alta resistência abaixo de uma tensão crítica específica (conhecida como tensão Zerier). Quando esta tensão crítica específica é ultrapassada, a resistência ativa do diodo Zener cai para um nível extremamente baixo.

E com este valor de resistência baixo, uma tensão constante efetiva é mantida entre os Zeners, e pode-se esperar que essa tensão constante seja mantida, independentemente de qualquer mudança na corrente da fonte.



Em palavras simples, sempre que a alimentação através do diodo zener excede o valor nominal do zener, o diodo zener conduz e aterra o excesso de tensão. Devido a isso, a tensão cai abaixo da tensão zener que desliga o zener, e a fonte mais uma vez tenta exceder a tensão zener, ligando o zener mais uma vez. Esse ciclo se repete rapidamente, o que resulta na estabilização da saída exatamente em um valor de tensão zener constante.

Esta característica é destacada graficamente na figura abaixo que indica que acima da 'tensão Zener' a tensão reversa continua quase constante mesmo com variações na corrente reversa. Como resultado, os diodos Zener são freqüentemente usados ​​para obter uma queda de tensão constante, ou tensão de referência, com sua resistência interna.

Os diodos Zener são projetados em muitas classificações de potência e com classificações de tensão que variam de 2,7 Volts a 200 Volts. (No entanto, principalmente, diodos Zener com valores muito acima de 30 Volts quase nunca são usados.)

Funcionamento básico do circuito de diodo Zener

Um circuito regulador de tensão padrão, usando um único resistor e um diodo Zener, pode ser testemunhado na imagem a seguir. Aqui, vamos supor que o valor do diodo Zener seja 4,7 V e a tensão de alimentação V in seja 8,0 V.

O funcionamento básico de um diodo zener pode ser explicado com os seguintes pontos:

Na ausência de uma carga na saída do diodo Zener, uma queda de 4,7 Volts pode ser vista no diodo Zener enquanto um corte de 2,4 Volts é desenvolvido no resistor R.

Agora, caso a tensão de entrada seja alterada, vamos imaginar, de 8,0 para 9,0 V, fará com que a queda de tensão no Zener ainda mantenha os 4,7 V.

No entanto, a queda de tensão através do resistor R pode ser vista elevada, de 2,4 V, para 3,4 V.

Pode-se esperar que a queda de tensão em um Zener ideal seja bastante constante. Praticamente, você pode encontrar a voltagem através do Zener aumentando ligeiramente por causa da resistência dinâmica do Zener.

O procedimento através do qual a mudança na tensão Zener é calculada é multiplicando a resistência dinâmica Zener pela mudança na corrente Zener.

O resistor R1, no projeto do regulador básico acima, simboliza a carga preferida que pode ser conectada com o zener. R1 nesta conexão irá puxar certa quantidade de corrente que estava se movendo através do Zener.

Visto que a corrente em Rs será maior do que a corrente que entra na carga, uma quantidade de corrente continuará a passar pelo Zener, permitindo uma tensão perfeitamente constante através do Zener e da carga.

O resistor em série Rs indicado deve ser determinado de tal forma que a corrente mais baixa que entra no Zener seja sempre maior do que o nível mínimo especificado para uma regulação estável do Zener. Este nível começa logo abaixo do 'joelho' da curva de tensão / corrente reversa, conforme aprendido no diagrama gráfico anterior acima.

Além disso, você deve se certificar de que a seleção de Rs garante que a corrente que passa pelo diodo Zener nunca ultrapasse sua classificação de potência: que pode ser equivalente à tensão Zener x corrente Zener. É a maior quantidade de corrente que pode passar pelo diodo Zener na ausência da carga R1.

Como Calcular Diodos Zener

Projetar um circuito zener básico é realmente simples e pode ser implementado por meio das seguintes instruções:

  1. Determine a corrente de carga máxima e mínima (Li), por exemplo 10 mA e 0 mA.
  2. Determine a tensão de alimentação máxima que pode se desenvolver, por exemplo, um nível de 12 V, garantindo também que a tensão de alimentação mínima seja sempre = 1,5 V + Vz (a classificação de tensão zener).
  3. Conforme indicado no projeto do regulador básico, a tensão de saída necessária que é a tensão Zener equivalente Vz = 4,7 Volts, e o selecionado a corrente Zener mais baixa é 100 microampères . Isso implica que a corrente Zener máxima pretendida aqui é de 100 microamperes mais 10 miliamperes, que é 10,1 miliamperes.
  4. O resistor em série Rs deve permitir a quantidade mínima de corrente de 10,1 mA, mesmo quando a alimentação de entrada é o nível especificado mais baixo, que é 1,5 V maior do que o valor zener selecionado Vz, e pode ser calculado usando a lei de Ohms como: Rs = 1,5 / 10,1 x 10-3= 148,5 Ohms. O valor padrão mais próximo parece ser 150 Ohm, então Rs pode ser 150 ohms.
  5. Se a tensão de alimentação subir para 12 V, a queda de tensão em Rs será Iz x Rs, onde Iz = corrente através do zener. Portanto, aplicando a lei de Ohm, obtemos Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
  6. O código acima é a corrente máxima que poderá passar pelo diodo zener. Em outras palavras, a corrente máxima que pode fluir durante a carga de saída máxima ou a entrada de tensão de alimentação máxima especificada. Nessas condições, o diodo zener dissipará uma potência de Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. O valor nominal de potência padrão mais próximo para cumprir isso é 400 mW.

Efeito da temperatura nos diodos Zener

Junto com os parâmetros de tensão e carga, os diodos Zener também são bastante resistentes às variações de temperatura ao seu redor. No entanto, acima de um certo ponto, a temperatura pode ter algum efeito no dispositivo, conforme indicado no gráfico abaixo:

Mostra a curva do coeficiente de temperatura do diodo zener. Embora em tensões mais altas a curva de coeficiente responda em torno de 0,1% por grau Celsius, ela se move para zero em 5 V e então se torna negativa para níveis de tensão mais baixos. Eventualmente, atinge -0,04% por grau Celsius em torno de 3,5 V.

Usando Diodo Zener como Sensor de Temperatura

Um bom uso da sensibilidade do diodo Zener à mudança de temperatura é aplicar o dispositivo como um dispositivo sensor de temperatura, conforme mostrado no diagrama a seguir

O diagrama mostra uma rede de ponte construída usando um par de resistores e um par de diodos Zener com características idênticas. Um dos diodos zener funciona como um gerador de voltagem de referência, enquanto o outro diodo zener é usado para detectar as mudanças nos níveis de temperatura.

Um padrão de 10 V Zener pode ter um coeficiente de temperatura de + 0,07% / ° C que pode corresponder a uma variação de temperatura de 7 mV / ° C. Isso criará um desequilíbrio de cerca de 7 mV entre os dois braços da ponte para cada variação de grau Celsius na temperatura. Um medidor FSD de 50 mV completo pode ser usado na posição indicada para mostrar as leituras de temperatura correspondentes.

Personalização do valor do diodo Zener

Para algumas aplicações de circuito, pode ser necessário ter um valor zener preciso, que pode ser um valor não padrão ou um valor não prontamente disponível.

Para tais casos, uma matriz de diodos zener pode ser criada que pode então ser usada para obter um valor desejado de diodo zener personalizado, conforme mostrado abaixo:

Neste exemplo, muitos valores zener personalizados e não padrão podem ser adquiridos em vários terminais, conforme descrito na lista a seguir:

Você pode usar outros valores nas posições indicadas para obter muitos outros conjuntos personalizados de saída de diodo zener

Diodos Zener com alimentação CA

Os diodos Zeners são normalmente usados ​​com fontes DC, no entanto, esses dispositivos também podem ser projetados para funcionar com fontes AC. Algumas aplicações AC de diodos Zener incluem áudio, circuitos RF e outras formas de sistemas de controle AC.

Conforme mostrado no exemplo abaixo, quando uma fonte CA é usada com um diodo zener, o zener irá conduzir instantaneamente assim que o sinal CA passar de zero para a metade negativa de seu ciclo. Porque, o sinal é negativo, portanto, a CA entrará em curto através do ânodo para o cátodo do zener, fazendo com que 0 V apareça na saída.

Quando a fonte de CA passa pela metade positiva do ciclo, o zener não conduz até que a CA suba até o nível de tensão do zener. Quando o sinal AC cruza a tensão zener, o zener conduz e estabiliza a saída a um nível de 4,7 V, até que o ciclo AC volte a zero.

Lembre-se, ao usar o zener com uma entrada CA, certifique-se de que Rs seja calculado de acordo com a tensão de pico CA.

No exemplo acima, a saída não é simétrica, em vez de 4,7 V CC pulsante. A fim de obter 4,7 V CA simétrico na saída, dois zeners consecutivos podem ser conectados, conforme ilustrado no diagrama abaixo

Suprimindo o ruído do diodo Zener

Embora os diodos zener forneçam uma maneira rápida e fácil de criar saídas de tensão fixa estabilizada, ele tem uma desvantagem que pode afetar circuitos de áudio sensíveis, como amplificadores de potência.

Os diodos Zener geram ruído durante a operação devido ao seu efeito de avalanche de junção durante a comutação, variando de 10 uV a 1 mV. Isso pode ser suprimido adicionando um capacitor em paralelo com o diodo zener, conforme mostrado abaixo:

O valor do capacitor pode estar entre 0,01uF e 0,1uF, o que permitirá a supressão de ruído por um fator de 10 e manterá a melhor estabilização de tensão possível.

O gráfico a seguir mostra o efeito do capacitor para reduzir o ruído do diodo zener.

Usando Zener para filtragem de voltagem ondulada

Os diodos Zener também podem ser aplicados como filtros de ondulação de tensão eficazes, assim como são usados ​​para estabilização de tensão CA.

Devido à sua impedância dinâmica extremamente baixa, os diodos zener são capazes de funcionar como um filtro de ondulação da mesma forma que um capacitor de filtro.

Uma filtragem de ondulação muito impressionante pode ser obtida conectando um diodo Zener através da carga, com qualquer fonte CC. Aqui, a tensão deve ser igual ao nível mínimo da ondulação.

Na maioria das aplicações de circuito, isso pode funcionar tão eficazmente quanto um capacitor de suavização típico com capacidade de vários milhares de microfarads, resultando em uma redução significativa no nível de ondulação de tensão sobreposta na saída CC.

Como aumentar a capacidade de manuseio de energia do diodo Zener

Uma maneira fácil de aumentar a capacidade de manipulação de energia do diodo zener é provavelmente conectá-los em paralelo, conforme mostrado abaixo:

No entanto, praticamente isso pode não ser tão simples quanto parece e pode não funcionar como planejado. Isso ocorre porque, assim como qualquer outro dispositivo semicondutor, os zeners também nunca vêm com características exatamente idênticas, portanto, um dos zeners pode conduzir antes do outro puxando toda a corrente através de si, eventualmente sendo destruído.

Uma maneira rápida de contornar este problema pode ser adicionar resistores em série de valores baixos com cada diodo zener como mostrado abaixo, o que permitirá que cada diodo zener compartilhe a corrente uniformemente por meio de quedas de tensão de compensação geradas pelos resistores R1 e R2:

Embora a capacidade de manipulação de energia possa ser aumentada conectando diodos Zener em paralelo, uma abordagem muito melhorada pode ser adicionar um shunt BJT em conjunto com um diodo zener configurado como uma fonte de referência. Por favor, consulte o seguinte esquema de exemplo para o mesmo.

Adicionar um transistor shunt não apenas aumenta a capacidade de manipulação de energia zener por um fator de 10, mas também melhora o nível de regulação de tensão da saída, que pode ser tão alto quanto o ganho de corrente especificado do transistor.

Este tipo de regulador zener de transistor shunt pode ser usado para fins experimentais porque o circuito possui uma instalação 100% à prova de curto-circuito. Dito isso, o projeto é bastante ineficiente porque o transistor pode dissipar uma quantidade significativa de corrente na ausência de uma carga.

Para resultados ainda melhores, um transistor de passagem de série tipo de regulador conforme mostrado abaixo parece uma opção melhor e preferível.

Neste circuito, o diodo Zener cria uma tensão de referência para o transistor de passagem em série, que, essencialmente, funciona como um seguidor de emissor . Como resultado, a voltagem do emissor é mantida entre alguns décimos de volt da voltagem básica do transistor criada pelo diodo Zener. Consequentemente, o transistor funciona como um componente em série e permite o controle efetivo das variações da tensão de alimentação.

Toda a corrente de carga agora é executada por meio deste transistor em série. A potência deste tipo de configuração é totalmente determinada pelo valor e especificação dos transistores, e também depende da eficiência e qualidade do dissipador utilizado.

Excelente regulação pode ser alcançada a partir do projeto acima usando um resistor da série 1k. A regulação pode ser aumentada com um fator de 10 substituindo o zener normal por um diodo especial de zener dinâmico baixo, como um 1N1589).

No caso de você desejar que o circuito acima forneça uma saída regulada de tensão variável, isso pode ser facilmente alcançado usando um potenciômetro de 1K através do diodo Zener. Isso permite que uma tensão de referência variável seja ajustada na base do transistor em série.

No entanto, esta modificação pode resultar em uma eficiência de regulação inferior devido a algum efeito de desvio criado pelo potenciômetro.

Circuito de Diodo Zener de Corrente Constante

Uma fonte de corrente constante regulada por Zener simples pode ser projetada por meio de um único transistor como um resistor de série variável. A figura abaixo demonstra o diagrama básico do circuito.

Você pode ver um par de passagens de circuito aqui, uma através do diodo zener conectado em série com o resistor de polarização, enquanto o outro caminho é através dos resistores R1, R2 e o transistor em série.

No caso de a corrente se desviar de sua faixa original, ela cria uma mudança proporcional no nível de polarização de R3, que por sua vez faz com que a resistência do transistor em série aumente ou diminua proporcionalmente.

Este ajuste na resistência do transistor resulta em uma correção automática da corrente de saída para o nível desejado. A precisão do controle de corrente neste projeto será em torno de +/- 10% em resposta a condições de saída que podem variar entre um curto-circuito e uma carga de até 400 Ohm.

Circuito de comutação de relé sequencial usando diodo Zener

Se você tiver uma aplicação em que um conjunto de relés deve ser alternado sequencialmente um após o outro na chave liga / desliga, em vez de todos serem ativados juntos, o design a seguir pode ser bastante útil.

Aqui, diodos zener de incremento sequencial são instalados em série com um grupo de relés junto com resistores individuais em série de baixo valor. Quando a alimentação é ligada, os diodos zener conduzem um após o outro em sequência em ordem crescente de seus valores zener. Isso resulta na ativação do relé na sequência desejada pela aplicação. Os valores dos resistores podem ser 10 ohms ou 20 ohms, dependendo do valor da resistência da bobina do relé.

Circuito de diodo Zener para proteção contra sobretensão

Devido à sua característica sensível à voltagem, é possível combinar diodos Zener com a característica sensível à corrente dos fusíveis para proteger os componentes cruciais do circuito de picos de alta voltagem e, adicionalmente, eliminar o incômodo de queimar frequentemente o fusível, o que pode acontecer especialmente quando a classificação de um fusível está muito próximo da especificação de corrente operacional do circuito.

Ao unir um diodo Zener corretamente classificado através da carga, um fusível que é adequadamente classificado para lidar com a corrente de carga pretendida por longos períodos pode ser empregado. Nessa situação, suponha que a tensão de entrada aumente a uma extensão que exceda a tensão de ruptura Zener - forçará o diodo Zener a conduzir. Isso causará um aumento repentino na corrente queimando o fusível quase que instantaneamente.

A vantagem desse circuito é que ele evita que o fusível queime com frequência e de forma imprevisível devido ao seu valor de fusão próximo à corrente de carga. Em vez disso, o fusível queima apenas quando a tensão e a corrente aumentam genuinamente além de um nível inseguro especificado.

Circuito de proteção de subtensão usando diodo Zener

Um relé e um diodo zener apropriadamente selecionado são suficientes para criar um circuito preciso de proteção contra corte de baixa tensão ou subtensão para qualquer aplicação desejada. O diagrama do circuito é apresentado abaixo:

A operação é realmente muito simples, o Vin de alimentação que é adquirido de uma rede de ponte de transformador varia proporcionalmente dependendo das variações de CA de entrada. Isso implica, se suponha que 220 V corresponda a 12 V do transformador, então 180 V deve corresponder a 9,81 V e assim por diante. Portanto, se 180 V for assumido como o limite de corte de baixa tensão, selecionar o diodo zener como um dispositivo de 10 V interromperá a operação do relé sempre que a CA de entrada cair abaixo de 180 V.




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