Eletrnica Aula 03 CINUPPE Diodo zener Diodo Zener

Eletrônica Aula 03 CIN-UPPE

Diodo zener Diodo Zener é um tipo especial de diodo, que por construção, intencionalmente, opera na região de ruptura. n 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. n

Características elétricas Os diodos zener podem ser encontrados numa vasta variedade de tensões de operação, as quais estão associadas as tensões de ruptura. n 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. n Comercialmente, podemos encontrar diodos zener, como reguladores de tensão, na faixa de 1, 8 a 200 V. n Quando polarizado diretamente o diodo zener opera como um diodo retificador normal. n Circuito típico R Resistor limitador de corrente Fonte de tensão não regulada VZ Diodo zener RL carga

Diodo zener - operação RS Resistor limitador de corrente Fonte de tensão não regulada VS IZ VZ Diodo zener n 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. IS=IZ = (Vs – Vz)/ Rs Potência dissipada no zener PZ = Rz. Iz 2

Diodo zener ideal n Diodo zener real Suponha o circuito abaixo com um zener para 10 V. Quais as corrente máxima e mínima do zener? a) Corrente mínima IS= 10/820 A = 12, 2 m. A 820 20 a 40 V IS 10 b) Corrente máxima IS= 30/820 A = 36, 6 m. A

Zener com carga n O diodo zener deve ser capaz de manter a tensão constante mesmo com oscilações na tensão da fonte ou mudança na resistência da carga. RS Fonte de tensão não regulada VS VZ RL carga Diodo zener n Para se garantir que o zener está operando na região adequada de tensão, calculamos a tensão Thevenin retirando o zener do circuito. VTH n = R L. Vs Rs +RL Agora, retirando a carga, a corrente do resistor que limita a corrente de ruptura é dado por: IS = VS - V Z Rs

Ondulação no Resistor de carga Embora haja, em geral, ondulações nas fontes de alimentação, o diodo tende a eliminar estas ondulações. Esta ondulações, mesmo se considerarmos um modelo de zener com resistência interna é muito pequena. n Se considerarmos que existe uma certa tensão de ondulação Vr, o novo valor de saída de tensão de ondulação seria dada por: n Vr(saída) = Rz. Vr(ent) Rs +Rz

Retas de carga/regulagem zener RS -30 Fonte de tensão não regulada VS IZ -20 =12 VZ Diodo zener Curva 1 Curva 2 -20 m. A -30 m. A Suponha Vz = 12 V Para = 1 K Vs = 20 V Para = 1 K Vs = 30 V Iz = (Vs-Vz)/Rs = (20 -Vz)/1000 Iz = (Vs-Vz)/Rs = (30 -Vz)/1000 Traçar a curva 1; Vz = 0 => Iz = 20 m. A Iz = 0 => Vz = -20 V Traçar a curva 2; Vz = 0 => Iz = 30 m. A Iz = 0 => Vz = -30 V Mesmo que a tensão na fonte varie de 20 para 30 V, a tensão zener é ainda Aproximadamente igual a 12 V.

Variação da tensão zener n 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. Vz = Iz. Rz Exemplo: Se Vz = 10 V e Rz = 8, 5 , qual será a tensão adicional quando houver um acréscimo de corrente de 20 m. A? Vz = Iz. Rz => Vz = (20 m. A). (8, 5 ) => Vz = 0, 17 V A nova tensão zener é de 10, 17 V em vez de 10 V.

Ondulação de tensão zener n Qual no valor da redução na ondulação da onda de saída, com a colocação de um diodo zener? Rs Rz Vz + Retificação + com filtro Vs capacitivo - Is Rl - No início da descarga do No final da descarga capacitor, a corrente no resistor Ismin= (Vsmin-Vz)/Rs em série Ismax= (Vsmax-Vz)/Rs A variação de corrente Ismax- Ismin =(Vsmax-Vsmin)/Rs = Vs/Rs, ou seja: Vs = Is. Rs (Ondulação pico-a-pico na entrada) Ondulação pico-a-pico no zener é dado por Vz = Iz. Rz (saída) Relação entre tensão saída/entrada Vz = Iz. Rz Vs Is. Rs Tensão de ondulação

Ondulação de tensão zener n Considerando uma carga constante (Rl)as variação de corrente no zener é a mesma que no resistor em série, assim: Vz = Rz Vs 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 e Rs = 700 , a ondulação na saída seria 1/100 da ondulação na entrada Vz = (1/100). Vs

Pronto de saída do regulador zener Rs Rz + Retificação + com filtro Vs capacitivo - Diodo zener Is Rl - n Para um regulador zener manter a tensão constante, o diodo zener deve permanecer na região de ruptura em qualquer condição de operação. n O pior caso ocorre quando a corrente fornecida pela fonte é mínima e a corrente de carga é alta. Ismin=(Vsmin-Vz)/Rs => Rs = (Vsmin-Vz)/Ismin n Como Iz = Is-IL , ou seja, no pior caso Izmin = Ismin-Ilmax No ponto crítico Ismin= Ilmax resultando Iz =0, ou seja, sem regulação. n Para garantir a regulação devemos ter uma resistência série sempre menor que: n Rsmax= (Vsmin-Vz)/ ILmax

Coeficiente de temperatura n O aumento da temperatura ambiente em torno do componente pode fazer com que haja uma pequena alteração na tensão de regulagem do zener. V = q. VZTJ q. VZ é o coeficiente de temperatura do diodo (ver figura). n TJ temperatura da junção – Valor máximo permitido para a temperatura da junção PN do diodo. n

Coeficiente de temperatura Todo dispositivo zener possui um coeficiente de temperatura, fornecido pelo fabricante, que é a variação em porcentagem por grau Celsius. n Em geral para tensão de regulagem abaixo de 5 V este coeficiente é negativo. Para diodos zener acima de 6 V este valor é positivo. n n Temperatura da junção TJ = TL + TJL Onde: n TL = temperatura no borne do diodo. n TL = q. LAPD + TA - q. LA é a resistência térmica ambiente do borne do zener (°C/W) – PD is a dissipação de potência no zener. – TA A temperatura ambiente n q. LA varia de acordo com a montagem do dispositivo no circuito zener (placa de circuito impresso, etc. ). Seu valor fica em torno de 30 to 40°C/W.

Coeficiente de temperatura TJL é o aumento na temperatura da junção sobre o borne(ligação) do zener. TJL = q. JLPD n No pior caso, usando a corrente máxima esperada de IZ , podemos estimar os limites PD (a quantidade máxima de potência (em watts) permitida na dissipação do diodo) e os extremos de TJ( TJ). n q. JL representa a resistência térmica entre o borne e a junção PN. n n Assim, mudanças na tensão VZ, pode ser encontrada por: V = q. VZTJ

Coeficiente de temperatura n Qual seria a influência da temperatura no valor da tensão a aplicada a um diodo zener, considerando: – Vz = 12 Volts ; PD = 500 m. W ; Tamanho do borne = 0. 2” – Temperatura ambiente = 25 °C Sabemos que: V = q. VZTJ TJ = TL + TJL Onde: TL = q. LAPD + TA ; TJL = q. JLPD Considerando: q. LA =30°C/W ; TA = 25°C n TL = 40 °C n TJL = q. JLPD = (150 °C /W)500 m. W = 75 °C n Assim: TJ = 40+75 = 115 °C V = q. VZTJ = (8 m. V/ °C). 115 °C = 0. 92 V

Diodo zener- datasheet (exemplo)

(VZ) (Volts) - tensão do zener Iz – corrente do zener (IZT) (m. A) - corrente de teste (IZRM) (u. Amp) Corrente reversa máxima ZZT@IZT ( ) Impedância zener máxima ZZT@IZK ( ) Impedância zener (no joelho) IZK (m. A) – corrente teste no joelho (knee) (IZM)(m. A) – máxima corrente do regulador

Diodo zener- datasheet (exemplo)

Diodo zener- datasheet (exemplo)

Diodo zener- datasheet (exemplo)

Zener como limitador de tensão Um simples diodo zener pode limitar um lado de uma senoide para a tensão zener enquanto corta o outro lado para um valor próximo de zero. n Com dois diodos zeners em oposição, a forma de onda pode ser limitada a tensão zener em ambos os lados. Isto pode ser usado para geração de ondas. n