eletrônica aplicada - elt 8 o diodo zener

eletrônica aplicada - elt 8 o diodo zener

(Parte 1 de 2)

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ELIÉSIO 1

ESCOLA TÉCNICAREZENDE-RAMMEL
NOMETURMA _ ANO _

É um dispositivo semicondutor que possui quase as mesmas características do diodo de junção. A diferença está no seu comportamento quando polarizado inversamente, já que ele pode funcionar na região de ruptura.

ID
VRVD
Vd
IZmin
IZmax
IR
A K
ÂNODOCÁTODO
caso de silício ± 0,7 V).

Vd → tensão de condução, é o ponto de condução significativa na polarização direta (para o Vz → tensão zener, é definida pelo fabricante e normalmente caracteriza o componente.

estiver em polarização inversa para manter a tensão zener.
Abaixo deste ponto é considerado o ponto de desligamento do zener.

Izmínimo → corrente zener mínima, é o mínimo de corrente que o diodo terá que conduzir quando Izmáximo → corrente zener máxima, é o máximo de corrente que o diodo pode conduzir estando.

Como VZ permanece praticamente constante na polarização inversa, a grande aplicação do diodo zener é de, nesta região, poder atuar como referencial de tensão.

Portanto podemos verificar que o diodo zener normalmente será utilizado em circuitos com polarização inversa..

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ELIÉSIO 2

Polarizado inversamente.
Após este valor o diodo pode danificar-se
diodo será danificado.
ZmáximoZZIVP×=

Pz → potência zener, é o máximo de potência que o diodo pode dissipar. A partir deste ponto o

Rz → resistência zener, esta resistência reflete a pequena variação de Vz em função de Iz e pode ser calculada por:

VR∆∆=∆Vz

Z I ∆ Iz

BZV60 B 4.7 a75 2 0,5 50
BZX70 C 2,4a 75 5 0,5 50
BZX79 B 4,7a 75 2 0,5 50
BZT03 C 7,5a 270 5 3,25 25

BZV60 C 2,4 a 75 5 0,5 50 BZW03 C 7,5 A 270 5 6.0 25

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ELIÉSIO 3

BZX79 BZV60 BZT03 BZW03

Potência 0,5W Potência 0,5W Potência 3,25 W Potência 6W

Tensões IZmin Sufixo IZmin Sufixo IZmin Sufixo IZmin Sufixo

2.4 5 C2V4 5 C2V4
2,7 5 C2V7 5 C2V7
3.0 5 C3V0 5 C3V0
3.3 5 C3V3 5 C3V3
3.6 5 C3V6 5 C3V6
3.9 5 C3V9 5 C3V9
4.3 5 C4V3 5 C4V3
4.7 5 C4V7 B4V7 5 C4V7 B4V7
5.1 5 C5V1 B5V1 5 C5V1 B5V1
5.6 5 C5V6 B5V6 5 C5V6 B5V6
6.2 5 C6V2 B6V2 5 C6V2 B6V2
6.8 5 C6V8 B6V8 5 C6V8 B6V8
8210 C82 15 C82
915 C91 15 C91
1005 C100 12 C100
1105 C110 12 C110
1205 C120 10 C120
1305 C130 10 C130
1505 C150 8 C150
1605 C160 8 C160
1805 C180 5 C180
2005 C200 5 C200
2202 C220 5 C220
2402 C240 5 C240

V mA 5% 2% mA 5% 2% mA 5% mA 5% 7.5 5 C7V5 B7V5 5 C7V5 B7V5 100 C7V5 175 C7V5 8.2 5 C8V2 B8V2 5 C8V2 B8V2 100 C8V2 150 C8V2 9.1 5 C9V1 B9V1 5 C9V1 B9V1 50 C9V1 150 C9V1 10 5 C10 B10 5 C10 B10 50 C10 125 C10 1 5 C1 B1 5 C1 B1 50 C1 125 C1 12 5 C12 B12 5 C12 B12 50 C12 100 C12 13 5 C13 B13 5 C13 B13 50 C13 100 C13 15 5 C15 B15 5 C15 B15 50 C15 75 C15 16 5 C16 B16 5 C16 B16 25 C16 75 C16 18 5 C18 B18 5 C18 B18 25 C18 65 C18 20 5 C20 B20 5 C20 B20 25 C20 65 C20 2 5 C2 B2 5 C2 B2 25 C2 50 C2 24 5 C24 B24 5 C24 B24 25 C24 50 C24 27 2 C27 B27 2 C27 B27 25 C27 50 C27 30 2 C30 B30 2 C30 B30 25 C30 40 C30 3 2 C3 B3 2 C3 B3 25 C3 40 C3 36 2 C36 B36 2 C36 B36 10 C36 30 C36 39 2 C39 B39 2 C39 B39 10 C39 30 C39 43 2 C43 B43 2 C43 B43 10 C43 30 C43 47 2 C47 B47 2 C47 B47 10 C47 25 C47 51 2 C51 B51 2 C51 B51 10 C51 25 C51 56 2 C56 B56 2 C56 B56 10 C56 20 C56 62 2 C62 B62 2 C62 B62 10 C62 20 C62 68 2 C68 B68 2 C68 B68 10 C68 20 C68 75 2 C75 B75 2 C75 B75 10 C75 20 C75 270 2 C270 5 C270

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ELIÉSIO 4

Vzc Vz
Izminimo
Q IzQ
V/Rs
IZmáximo
20V 10V
Izminimo
Q 10mA
IzVz
20mA
IZmáximo

+ V Rs IZ

VZC⇒tensão de corte (para IZ=0)

IZS⇒corrente de saturação (para VZ= 0)

SZS R VI= desprezando-se RZ

Rs 1k

Dados Vz=10V

Rs=1kΩ V=20V

Fazendo: VZ =0 kR VVI S Z 201

Fazendo: Vz=10V kR VVI S Z 101

NOTA: Elevando-se o valor da tensão aplicada para 40V teremos: mA

constante

É interessante observar que houve uma grande variação na corrente Iz e a tensão Vz permaneceu praticamente pequena

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ELIÉSIO 5

LIMITES DE V e Rs

O diodo zener não regula se a corrente for menor que seu Izmínimo. Esta condição limita o valor mínimo da tensão de entrada (V) e o valor máximo da resistência série limitadora de corrente (Rs).

()ZZmínimoimosVIRV+×=max

O diodo zener irá se danificar caso a corrente que passe por ele seja maior que o seu Izmáximo , ou caso a potência dissipada no circuito seja maior que seu valor Pz . Esta condição limita o valor máximo da tensão de entrada (V) e o valor mínimo da resistência série limitadora de corrente (Rs).

Tomando como base o circuito e a curva característica do diodo zener apresentado abaixo determine o seu ponto quiescente e a potência dissipada.

20 15 10 5
0.
5.
10..
Q..............15..
20..
25..
30
35
40
corrente de saturação Î Vz=0Iz

a) Determinação da reta de carga.

VRs

tensão de corteÎ Iz=0VzVV==10

Traçando uma reta unindo o ponto de corrente de saturação (40mA) com o ponto de tensão de corte (10V), teremos a reta de carga do diodo zener no circuito.

b) Determinação do ponto quiescente. No ponto em que a reta de carga toca a curva característica do diodo teremos o ponto quiescente do circuito.

( Iz ± 15 mA e Vz ± 6V )

250 ohms Vz

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ELIÉSIO 6

Como a tensão Vz é praticamente constante para uma grande variação da corrente Iz, este componente é muito utilizado para referenciar um determinado valor de tensão.

O diodo zener é normalmente conhecido como diodo regulador de tensão, pois mantém uma saída praticamente constante, para uma grande variação de corrente,

Em funcionamento um regulador deve ter polarização reversa com tensão suficiente para, levá-lo para a tensão de zener. É sempre usado um resistor série para manter a corrente zener dentro de suas especificações.

Com uma bateria de 12V alimente um "WALKMAN" com 6V/50mA através de uma referencial de tensão.

Se considerarmos a tensão zener (Vz) constante para uma corrente zener (Iz) variando de Izmáximo até Izmínimo , teremos:

Vz Vz Rs
+ − + −
⇒ V Iz Vz V=RsxIz+Vz
Iz Iz

Vref

+ V RsVz

RsIzVRs VzVRsV ×= +=

Rs VzVIz−=

Vref

Fazendo Æ IzIRL=01sendo IzIzmin≥

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ELIÉSIO 7

Se a precisão desejada para os cálculos de Vz e Iz for grande, teremos que levar em conta ∆Vz considerando Rz

Vz Vz Rs
+ − + − Rz
⇒ V Vz V=RsxIs+Vz +IzRz
Is
Iz Iz Iz
Rz

O regulador zener é utilizado em equipamento eletrônico que necessita de uma tensão regulada para seu funcionamento. As principais aplicações são:

Regular uma tensão de saída para uma carga fixa a partir de uma tensão de entrada variável. Regular uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão de entrada constante. Regular uma tensão de saída para uma carga variável a partir de uma tensão de entrada variável. CIRCUITO DO REGULADOR ZENER

RL Vz

Existe um valor mínimo de tensão na entrada que mantém o zener dentro de suas característica de regulação.

ZSVVV+=minmin

()ZLZSVIIRV++=maxminmin

Representa o mínimo de tensão na entrada para manter o zener com corrente acima de seu Izmin.

Existe um valor máximo de tensão na entrada que mantém o zener dentro de suas características de regulação.

ZVVRV+=maxmax

V Is VL ILIzIs

VzVsV VzVL

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ELIÉSIO 8

()ZZSVIILRV++=minmaxmax

Representa o máximo de tensão na entrada que não ultrapasse o Izmax do zener. O Izmax é limitada pela potência de dissipação dada pelo fabricante.

O Iz máximo do circuito terá que ser menor que ⇒Z

PI=max

DIMENSIONAMENTO DO ZENER 1)Para tensão de entrada mínima:

()ZZLSVIIRV++=minmaxmin

ZSVVV+=minmin

minmax⇒ expressão 1

2)Para tensão de entrada máxima:

ZSVVV+=maxmax

( ) ZZLS VIIRV ++= maxminmax

No pior caso é quando =∝RL pois 0min=LI e toda corrente passará pelo zener. []ZZSVIRV+×=maxmax

VVI−=maxmax⇒ expressão 2

Z R Dividindo a equação da expressão de 1 pela equação da expressão de 2, teremos:

max max min minmax minmax

ZLZ V VI −−+= min max minmaxmax

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ELIÉSIO 9

Desta forma teremos calculado o Izmáximo do circuito. O Izmáximo do zener é dado pelo fabricante como:

Z V PI=max

+ V RLVz Rs

CORRENTE ZENER MÍNIMA (IZmin)

Pior caso ÆILIIZS+=minmin ()ZZSVILIRV++=minmax

CÁLCULO DE Rsmáximo

max

CORRENTE ZENER MÁXIMA (IZmax)

Pior caso Æ ILIIZmasL+=max()SZSVILIRV++=maxmin

CÁLCULO DE Rsmínimo

Rsmin < Rs < Rsmax PRs = (VRs)2 / Rs

Projetar um regulador zener que alimente uma carga fixa de 1KΩ com tensão de 10V a partir de uma tensão constante de 15V

10V RL1kVz

Iz máximo calculado terá que ser menor que o Iz máximo do zener.

Is

Iz VL

O valor de Rs deve satisfazer as condições para que o zener fique dentro de suas características.

Vz=10v / Pz=05W /IzMIN=5mA
CÁLCULO DE IzMAX

ZENERÎBZX79C10V

IzmAMAXPzVzWV===051050, CÁLCULO DE IL

ImARLVRLVKRL===10110Ω

CÁLCULO DE RsMAX

RsMAX

V z

CÁLCULO DE RsMIN

RsMIN

V z

RsÎ220Ω/¼ W

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ELIÉSIO 10

Obs.: Acorrente no zener deverá ser menor que Izmax e maior que Izmin.

+ V RLVz Rs

CORRENTE ZENER MÍNIMA (IZmin)Î Manter Iz>Izmin
A condição crítica é para RLmínimo ou ILmáximo e Ismínimo
Pior caso ÆmaxminminLZSIII+=
CORRENTE ZENER MÁXIMA (IZmax)Î Manter Iz<Izmax

A condição crítica é para RLmáximo ou ILmínimo e Ismáximo

Pior caso ÆIsmax = Izmax +ILmin
Rsmin < Rs < Rsmax PRs = (VRs)2 / Rs

Deve ser utilizado um resistor comercial de valor intermediário com potência de dissipação maior que a calculada.

Z−−=O valor encontrado deve ser menor que o Izmáximo recomendado pelo
fabricante do zener.

Is

Iz VL

O valor de Rs deve satisfazer as condições para que o zener fique dentro de suas características com as variações de corrente na carga.

CÁLCULO DE Rsmáximo []ZLZSVIIRV++=maxminmax maxminmax LZ

CÁLCULO DE Rsmínimo []ZLZSVIIRV++=minmaxmin minmaxmin LZ

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ELIÉSIO 1

Projetar um regulador zener que alimente uma carga variável 500Ω a 1KΩ com tensão de 10V a partir de uma tensão constante de 15V

RLVz

PARA O CASO DE CORRENTE DE ZENER MÍNIMA. CÁLCULO DE RsMAX

Il mAMAX V RLMINVOO===10520Ω

RsMAX V z

Iz IL MAX V

PARA O CASO DE CORRENTE DE ZENER MÁXIMA. CÁLCULO DE RsMIN

IL mAMIN V RL V KRL MAX== =10 1 10Ω

RsMIN

V z

Iz IL V mA mAMAX MIN == ≅−− −−

83Ω<Rs<200Ω VALOR COMERCIALÆ120Ω
PRs=(VRs)2/Rs=(V−Vz)2/Rs=(15−10)2/120Ω≅208mW
RsÎ120Ω/¼ W

VERIFICAÇÃO DO ZENER Î IzILmAmAMIN

V z obs.: A corrente no zener deverá ser maior que o Izmin dado pelo fabricante.

Î IzILmAmAMAX obs.: A corrente no zener deverá ser menor que o Izmax dado pelo fabricante.

RLVz

A condição crítica é para Vmínimo ou Ismínimo
Pior caso ÆIsmin = Izmin + IL
ZENERÎBZX79C10V

CORRENTE ZENER MÍNIMA (IZmin)

Vz=10v / Pz=05W /IzMIN=5mA CÁLCULO DE IzMAX

IzmAMAXPzVzWV===051050,

500Ω a

1kΩ

Vmin a Vmax

O valor de Rs deve satisfazer as condições para que o zener fique dentro de suas características com as variações de características com as variações de tensão na entrada.

CÁLCULO DE Rsmáximo ()ZZSVILIRV++=minmaxmin

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ELIÉSIO 12

CORRENTE ZENER MÁXIMA (IZmax)

A condição crítica é para Vmáximo e Ismáximo

Pior caso ÆIsmax = Izmax +IL
Rsmin < Rs < Rsmax PRs = (VRs)2 / Rs

Deve ser utilizado um resistor comercial de valor intermediário com potência de dissipação maior que a calculada.

Z R VVI−=max

Projetar um regulador zener que alimente uma carga fixa de 500Ω com tensão de 10V a partir de uma tensão de 20Vcom uma variação de ±2V

RLVz

IlmAVRLVOORL===10520ΩVVVVMIN=−=20218

CÁLCULO DE RsMAX

RsMAX

V z

Iz IL V mA mAMINMIN == ≅−+ −+

RsMIN

V z

Iz IL V mA mA

171Ω<Rs<320Ω VALOR COMERCIALÆ220Ω
PRs=(VRs)2/Rs=(VMAX−Vz)2/Rs=(22V−10)2/220Ω≅654mWA maior potência dissipada no
resistor ocorrerá com Vmax.
RsÎ220Ω/1W

CÁLCULO DE Rsmínimo ()ZZSVILIRV++=maxminmax

O valor encontrado deve ser menor que o Izmáximo recomendado pelo fabricante do zener.

ZENERÎBZX79C10V
CÁLCULO DE IzMAX

Vz=10v / Pz=05W /IzMIN=5mA IzmAMAXPzVzWV===051050,

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ELIÉSIO 13

VERIFICAÇÃO DO ZENER Î IzILmAmAMIN V zRs obs.: A corrente no zener deverá ser maior que o Izmin dado pelo fabricante.

Î IzILmAmAMAX obs.: A corrente no zener deverá ser menor que o Izmax dado pelo fabricante.

RLVz

A condição crítica é para Vmínimo e ILmáximo ou quando Ismínimo
Pior caso ÆIsmin = Izmin + ILMAX

CORRENTE ZENER MÍNIMA (IZmin)

CORRENTE ZENER MÁXIMA (IZmax) A condição crítica é para Vmáximo e ILmin ou quando Ismáximo

Pior caso ÆIsmax = Izmax +ILmax
Rsmin < Rs < Rsmax PRs = (VRs)2 / Rs

Deve ser utilizado um resistor comercial de valor intermediário com potência de dissipação maior que a calculada.

Z R VVI−=max

Vmin a Vmax

VLmin a VLmax

O valor de Rs deve satisfazer as condições para que o zener fique dentro de suas características com as variações de tensões na entrada e as variações de corrente na carga.

CÁLCULO DE Rsmáximo()ZZSVILIRV++=maxminmaxmin

maxmin min max ILI VVR Z

S+−=

CÁLCULO DE Rsmínimo ()ZZSVILIRV++=minmaxminmax minmax max min ILI

O valor encontrado deve ser menor que o Izmáximo recomendado pelo fabricante do zener.

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ELIÉSIO 14

Projetar um regulador zener que alimente uma carga variável de 500Ω a 1kΩ com tensão de 10V a partir de uma tensão de 20Vcom uma variação de ±2V

RLVz

CÁLCULO DE RsMAX

RLminVOORL===10520ΩVVVVMIN=−=20218

Il mAmax V

RsMAX

V z

Iz IL V mA mAMIN

CÁLCULO DE RsMIN

K===10110ΩVVVVMAX=+=20222

IL mAMIN VzRL V

RsMIN

V z

200Ω<Rs<320Ω VALOR COMERCIALÆ220Ω
PRs=(VRs)2/Rs=(VMAX−Vz)2/Rs=(22V−10)2/220Ω≅654mWA maior potência dissipada no
resistor ocorrerá com Vmax.
RsÎ220Ω/1W

VERIFICAÇÃO DO ZENER Î IzILmAmAMIN

V z obs.: A corrente no zener deverá ser maior que o Izmin dado pelo fabricante.

Î IzILmAmAMAX

V z obs.: A corrente no zener deverá ser menor que o Izmax dado pelo fabricante.

Quando nos cálculos de Rs o valor para Rsmin for maior que o valor para Rsmax,, significa que as condições para o projeto não foram respeitadas. Isto acontece quando uma variação muito grande foi imposta ao circuito. Uma forma de contornar o problema é escolher um diodo zener com maior potência para que possa ter uma maior variação de corrente reversa.

Para que um regulador zener mantenha a tensão constante, o diodo zener deve permanecer na região zener com todas as condições de funcionamento.

Para que isto aconteça deve haver uma corrente mínima no zener para todas as,tensões da fonte e todas as correntes de carga.

20V ±2V

500Ω a

1kΩ

ZENERÎBZX79C10V
CÁLCULO DE IzMAX

Vz=10v / Pz=05W /IzMIN=5mA IzmAMAXPzVzWV===051050,

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ELIÉSIO 15

O pior caso ocorre com a tensão mínima da fonte e a corrente máxima da carga, porque neste caso a corrente no zener cai para um valor menor que seu Izmínimo.

máximo

ZSmínimo

Smáximo IL VVR−=

Podemos verificar que as ondulações na entrada e na carga estão relacionadas, por uma razão que é dada pelos valores de Rs e Rz.

ZZZRIV∆×∆=∆e RLILVL∆×∆=∆
×∆=∆então RLRVL
IMPORTANTE: Para uma boa regulaçãoRs > 100Rz

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ELIÉSIO 16

rede trans-reti- filtro regu- carga
forma- fica- lador
dor dor
CÁLCULOS DOS COMPONENTES
CARGA DIODOS
RLRLRL=()PIRLRLRL=×2
ZENER ()TPIVPSEC= VRRMTPI≥
VVZRL=I

VZmax Z

=()V

vond

RESISTOR TRANSFORMADOR
=VVVRRLS
=−IIIRZRLS
=+()()VVSEC
CAPACITOR

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ELIÉSIO 17

NOMETURMA _ ANO _

1) O diodo zener do circuito abaixo tem Vz=10V. Se o considerarmos um diodo ideal, qual o valor da corrente zener máxima e mínima?

2) No exercício 1 se considerarmos uma resistência zener de 10Ω qual o valor de ∆ Vz?

3) Tomando como base o circuito e a curva característica do diodo zener apresentado abaixo, determine o ponto quiescente com seus valores aproximado de tensão e corrente e a potência dissipada.

20 15 10 5
0.
5.
10..
15..
20..
25..
30
35
40

4) O que acontece se a fonte de alimentação do exercício 3 diminuir para 10V?

5) Se Rs no exercício 3 subir para 1KΩ, o que acontece com a reta de carga?

6) Determinar os valores máximo e mínimo da tensão de entrada para que o circuito referencial de tensão possa funcionar.

5,6V

20V a 40V

820Ω IZ

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ELIÉSIO 18

7) Projetar um regulador zener para que uma fonte de 12V alimente um receptor com 6V / 60mA.

8) Calcular o valor de Rs para que o regulador abaixo funcione sem problemas.

RLVz

9) Projete um regulador zener que será ligado a uma fonte de 30V com variação de ±3V e alimente com 15V uma carga que varia de 50Ω a 100 KΩ.

10) Calcular o valor de Rs para que o circuito abaixo funcione?

RLVz

0 a 15 mA..

1) Projetar um regulador zener que alimente com 12V uma carga cuja corrente pode variar de

12) Dois reguladores zener estão ligados em cascata. O primeiro tem uma resistência em série de 680Ω e uma resistência zener de 10Ω. O segundo tem uma resistência em série de 1.2KΩ e uma resistência zener de 6Ω. Se a variação da fonte for de 9V, qual a variação na saída?

de 1KΩ a 50KΩ. Qual o valor crítico da resistência série?

13) Um regulador zener tem Vz=15V. A tensão da fonte pode variar de 22V a 40V e a carga pode variar

100Ω a

20kΩ

Z=BZX79C12

28V a 23V

Dados

RL=560Ω VL=15V

IZmáximo=500mA IZmínimo=15mA

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ELIÉSIO 19

14) Projetar uma fonte de alimentação que forneça a uma carga resistiva uma tensão de 5 VDC com corrente de até 100mA. Usar alimentação de rede de 120VAC, retificador em ponte, filtro capacitivo e regulador zener.

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