Diodo Zener

Diodo Zener

(Parte 1 de 2)

Ivair José de Souza Diodo zener

A diferença básica entre o diodo zener e o diodo retificador é que o diodo zener opera na região de ruptura ao passo que o diodo retificador será danificado se atingir esta região.

Curva característica do diodo zener.

A curva característica do diodo zener é a mesma do diodo retificador.

A tensão de ruptura é também denominada de tensão zener. Quando o diodo zener está polarizado no sentido direto comporta como o diodo retificador e tem-se no mesmo uma queda de tensão de aproximadamente 0,7V.

Na região de ruptura a tensão no diodo zener, praticamente, mantém-se constante no valor de VZ para uma grande variação de corrente e devido a esta característica o diodo zener é utilizado como regulador ou estabilizador de tensão.

O diodo zener será danificado se passar no mesmo uma corrente acima de IZ max. Conhecendo os valores de PZ max e VZ, obtidos do fabricante, calcula-se IZ max. PZ max é a máxima potência que o diodo zener pode dissipar. Para um diodo zener com VZ = 10 V e PZ max = 1 W tem-se. IZ max = PZ max / VZ IZ max = 1 W / 10V Iz max = 100mA

Analise o circuito abaixo, variando a tensão de entrada de 0V a 25V.

I = 0A(A corrente será nula por que o diodo zener ainda não atingiu a ruptura).
VR = 0V(sendo I = 0A não se tem tensão no resistor, VR = R. I )

Para V < VZ, o diodo zener não conduz e tem-se que: Vsaída = V (Tensão de saída igual à tensão de entrada)

Vsaída = VZ(Tensão de saída igual à tensão do diodo zener)
VR = V – VZ
I = VR / R(a corrente no circuito será limitada pelo resistor R)

Para V > VZ, o diodo zener conduz visto que atinge a tensão de ruptura. O circuito acima é utilizado para determinar, na prática, a tensão de um diodo zener.

Regulador de tensão R-Z

O diodo zener irá regular (estabilizar) a tensão em RL, mesmo havendo variações da tensão de entrada e/ou da corrente em RL, dentro de certos limites. VRL = VZ devido a que RL está em paralelo com o diodo zener.

V é a tensão de entrada e varia de um valor mínimo a um valor máximo (V max). I é a corrente do circuito e pode variar de (IZ min + IL) a um valor máximo (IZ max) IL é a corrente na carga RL e pode variar de 0A a um valor máximo (IL max). IZ é a corrente no diodo zener e pode variar de IZ mínimo a IZ máximo.

As seguintes observações devem ser feitas sobre o regulador R-Z. Sendo I = (V -- VZ) / R e IZ = I – IL tem-se que: Se V aumenta, IZ aumenta. Se V diminui, IZ diminui. Se IL aumenta, IZ diminui. Se IL diminui, IZ aumenta.

Para regular a tensão em RL, os valores de IZ devem estar entre IZ min a IZ max. Normalmente, considera-se IZ min = 10% de IZ max sendo IZ min a corrente no diodo zener após o joelho da curva. Sendo IZ max = 100 mA tem-se: IZ min = 0,1 . IZ max => IZ min = 0,1 . 100mA

IZ min = 10mA Ivair José de Souza

1) Sendo VZ = 10V, R = 220Ω, RL = 800Ω, determine as tensões e as correntes para V = 18V e V = 25V. Preencha o quadro abaixo.

Tensões do circuito Correntes do circuito

Tensão de entrada V

Tensão em RL VRL = VZ

Tensão em R

2) Sendo V = 25V, calcule as tensões e as correntes para RL = 800Ω e RL = 500Ω.

Tensões do circuito Correntes do circuito

Resistor de carga

Tensão em RL VRL = VZ

Tensão em R

Os valores de IZ, nos exercícios 1 e 2, estão entre IZ min a IZ max, portanto, o diodo zener irá regular (estabilizar) a tensão em RL. IZ min = 10 mA e Iz max = 100 mA

O resistor R deve ser dimensionado para limitar a corrente no circuito a um valor menor do que a máxima corrente do diodo zener, pois caso a carga RL seja desligada toda a corrente do circuito irá passar no diodo zener. Se este cuidado não for tomado o diodo zener será danificado.

I <= IZ maxpara não danificar o diodo zener quando RL for desligado.

Então, deve-se ter: I >= IZ min + IL para garantir uma operação após o joelho da curva do diodo zener e se ter uma regulação da tensão em RL.

Exercícios resolvidos 1) Sendo V = 25V, VZ = 10 V, IZ max = 100mA, IZ min = 10 mA, IL = 20 mA, calcule o valor mínimo e o valor máximo do resistor R. R min >= (V – VZ) / IZ max R min = (25V – 10V) / 100 mA => R min > 15 V / 100 mA R min = 150Ω (abaixo deste valor, o diodo Zener danificará devido a que I > IZmax).

R max = (V – VZ) / (IZ min + IL) R max = (25V – 10V) / (10 mA + 20 mA) => R min > 15V / 30 mA R max = 500Ω (acima deste valor, não terá regulação de tensão em RL).

2) Sendo R = 220Ω, VZ = 10 V, IZ max = 100mA, IZ min = 10 mA, IL = 20mA, calcule o valor mínimo e o valor máximo da tensão de entrada V.

V = VR + VZ=> V = R . I + VZ

V min = R . (IZ min + IL) + VZ V min = 220Ω . (10 mA + 20 mA) + 10V = 220Ω . 30 mA + 10V V min = 6,6V + 10V V min = 16,6 V (abaixo deste valor, não terá regulação de tensão em RL).

V max = R . IZ max + VZ V max = 220Ω . 100 mA + 10V = 22V + 10V V max = 32V (acima deste valor, o diodo Zener danificará devido a que I > IZmax).

Ivair José de Souza

I = VR / R=> I = 15V / 220Ω

3) Sendo V = 25V, R = 220Ω, VZ = 10 V, IZ max = 100 mA, IZ min = 10 mA, calcule o valor mínimo do resistor RL. I = 68 mA

IL max = I – IZ min => IL max = 68 mA – 10 mA IL max = 58 mA Quando IL aumenta IZ diminui e IZ não deve ser menor do que IZ min para não comprometer a regulação de tensão em RL.

RL min = 172Ω(abaixo deste valor, não terá regulação de tensão em RL).

RL min = VZ / IL max RL min = 10V / 58 mA

4) Cite as condições que devem ser satisfeitas para o regulador de tensão R-Z.

Impedância dinâmica do diodo zener

É a relação entre a variação da tensão zener e a variação de corrente.no diodo zener. A impedância zener é também denominada de resistência zener ou Rz. Não confundir resistência zener com resistência do diodo zener.

VZ1 = 12Vpara IZ1 = 10 mA
VZ2 = 12,6V para IZ2 = 40 mA

1) Determine o valor de Rz sendo:

Variação de VZ = VZ2 -- VZ1 = 0,6V Variação de IZ = IZ2 – IZ1 = 30 mA

2) Sendo VZ1 = 12V para IZ1=10 mA e Rz = 20Ω, calcule VZ2 para IZ = 50mA

VZ2 = 12,8V Ivair José de Souza

O valor ideal para Rz deve ser zero. Neste caso, a tensão no diodo zener não irá variar mesmo havendo variação de corrente no mesmo. Se Rz fosse nulo não teríamos a inclinação da curva na região de ruptura ou região zener.

Na prática, normalmente, considera-se o diodo zener como sendo ideal. Neste caso também se despreza o joelho da curva considerando IZ min = 0A.

Abaixo, o regulador de tensão R-Z regula a tensão em RL e com isto, praticamente, elimina a ondulação na saída do retificador de onda completa com filtro a capacitor.

Considerações sobre o regulador de tensão R-Z

Não é adequado para circuitos que exigem “ótima” regulação de tensão visto que o diodo zener não apresenta uma característica vertical na região de ruptura tendo uma pequena variação da tensão zener devido à resistência zener (Rz).

É indicado para circuitos que drenem baixa corrente (alguns mA) devido ao seu baixo rendimento e isto por que o consumo de energia com ou sem carga RL é constante. Para circuitos que exigem uma regulação de tensão eficiente deve-se utilizar o diodo de referência de tensão que tem uma característica vertical isto é, são praticamente nulos.

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