Circuiti diodi Zener, caratteristiche, calcoli

I diodi Zener, che prendono il nome dal suo inventore, il dottor Carl Zener, sono fondamentalmente utilizzati nei circuiti elettronici per generare riferimenti di tensione precisi. Si tratta di dispositivi in ​​grado di creare una tensione praticamente costante ai loro capi indipendentemente dalle variazioni del circuito e delle situazioni di tensione.

Esternamente, potresti trovare diodi zener molto simili ai diodi standard come 1N4148. I diodi Zener funzionano anche raddrizzando CA in CC pulsante proprio come le loro alternative tradizionali. Tuttavia, contrariamente ai diodi raddrizzatori standard, i diodi zener sono configurati con il loro catodo direttamente connesso con il positivo dell'alimentazione e l'anodo con l'alimentazione negativa.

Caratteristiche

Nella sua configurazione standard, i diodi Zener mostrano un'elevata resistenza al di sotto di una tensione particolare e critica (nota come tensione Zerier). Quando questa specifica tensione critica viene superata, la resistenza attiva del diodo Zener scende a un livello estremamente basso.

E a questo valore di resistenza basso, una tensione costante effettiva viene mantenuta attraverso gli Zener e ci si può aspettare che questa tensione costante rimanga indipendentemente da qualsiasi cambiamento nella corrente sorgente.

In parole semplici, ogni volta che l'alimentazione attraverso il diodo zener supera il valore zener nominale, il diodo zener conduce e mette a terra la tensione in eccesso. A causa di ciò la tensione scende al di sotto della tensione zener che spegne lo zener e l'alimentazione tenta ancora una volta di superare la tensione zener, accendendo nuovamente lo zener. Questo ciclo si ripete rapidamente, il che alla fine si traduce nella stabilizzazione dell'uscita esattamente a un valore di tensione zener costante.

Questa caratteristica è graficamente evidenziata nella figura sottostante che indica che al di sopra della 'tensione Zener' la tensione inversa continua ad essere pressoché costante anche al variare della corrente inversa. Di conseguenza, i diodi Zener vengono spesso utilizzati per ottenere una caduta di tensione costante, o tensione di riferimento, con la loro resistenza interna.

I diodi Zener sono progettati in molte potenze nominali e con tensioni nominali che vanno da 2,7 Volt a 200 Volt. (Tuttavia, nella maggior parte dei casi, i diodi Zener con valori molto superiori a 30 Volt non vengono quasi mai utilizzati.)

Circuito diodo Zener di base funzionante

Un circuito regolatore di tensione standard, che utilizza un singolo resistore e un diodo Zener, può essere visto nell'immagine seguente. Qui, supponiamo che il valore del diodo Zener sia 4,7 V e la tensione di alimentazione V in sia 8,0 V.

Il funzionamento di base di un diodo zener può essere spiegato con i seguenti punti:

In assenza di un carico attraverso l'uscita del diodo zener, si può vedere un 4,7 Volt cadere attraverso il diodo Zener mentre un taglio di 2,4 Volt viene sviluppato attraverso il resistore R.

Ora, nel caso in cui la tensione di ingresso venga alterata, immaginiamo, da 8,0 a 9,0 V, che la caduta di tensione attraverso lo Zener mantenga ancora i 4,7 V.

Tuttavia, la caduta di tensione attraverso il resistore R potrebbe essere aumentata, da 2,4 V a 3,4 V.

Ci si può aspettare che la caduta di tensione attraverso uno Zener ideale sia piuttosto costante. In pratica, potresti scoprire che la tensione ai capi dello Zener aumenta leggermente a causa della resistenza dinamica dello Zener.

La procedura attraverso la quale viene calcolata la variazione della tensione Zener è moltiplicando la resistenza dinamica Zener per la variazione della corrente Zener.

Il resistore R1, nel design del regolatore di base sopra, simboleggia il carico preferito che può essere collegato allo zener. R1 in questa connessione assorbirà una certa quantità di corrente che si muoveva attraverso lo Zener.

Poiché la corrente in Rs sarà superiore alla corrente che entra nel carico, una quantità di corrente continuerà a passare attraverso lo Zener consentendo una tensione perfettamente costante attraverso lo Zener e il carico.

Il resistore in serie indicato Rs dovrebbe essere determinato in modo tale che la corrente più bassa che entra nello Zener sia sempre superiore al livello minimo specificato per una regolazione stabile dallo Zener. Questo livello inizia appena sotto il 'ginocchio' della curva di tensione inversa / corrente inversa come appreso dal diagramma grafico precedente sopra.

È inoltre necessario assicurarsi che la selezione di Rs garantisca che la corrente che passa attraverso il diodo Zener non superi mai la sua potenza nominale: che può essere equivalente alla tensione Zener x corrente Zener. È la più alta quantità di corrente che può passare attraverso il diodo Zener in assenza del carico R1.

Come calcolare i diodi Zener

Progettare un circuito zener di base è in realtà semplice e può essere implementato attraverso le seguenti istruzioni:

1. Determinare la corrente di carico massima e minima (Li), ad esempio 10 mA e 0 mA.
2. Determinare la tensione di alimentazione massima che può svilupparsi, ad esempio un livello di 12 V, assicurandosi inoltre che la tensione di alimentazione minima sia sempre = 1,5 V + Vz (la tensione nominale di zener).
3. Come indicato nella progettazione del regolatore di base, la tensione di uscita richiesta che è la tensione Zener equivalente Vz = 4,7 Volt e la la corrente Zener più bassa è di 100 microampere . Ciò implica che la corrente Zener massima prevista qui è di 100 microampere più 10 milliampere, ovvero 10,1 milliampere.
4. Il resistore in serie Rs deve consentire la quantità minima di corrente 10,1 mA anche quando l'alimentazione in ingresso è al livello specificato più basso, che è 1,5 V superiore al valore zener selezionato Vz, e può essere calcolato utilizzando la legge di Ohm come: Rs = 1,5 / 10.1 x 10^-3= 148,5 Ohm. Il valore standard più vicino sembra essere 150 Ohm, quindi Rs potrebbe essere 150 ohm.
5. Se la tensione di alimentazione sale a 12 V, la caduta di tensione su Rs sarà Iz x Rs, dove Iz = corrente attraverso lo zener. Pertanto, applicando la legge di Ohm otteniamo Iz = 12 - 4.7 / 150 = 48.66 mA
6. Quanto sopra è la corrente massima che potrà passare attraverso il diodo zener. In altre parole, la corrente massima che può fluire durante il carico di uscita massimo o l'ingresso della tensione di alimentazione massima specificata. In queste condizioni, il diodo zener dissiperà una potenza di Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Il valore nominale di potenza standard più vicino a soddisfare questo è 400 mW.

Effetto della temperatura sui diodi Zener

Insieme ai parametri di tensione e carico, i diodi Zener sono anche abbastanza resistenti alle variazioni di temperatura intorno a loro. Tuttavia, al di sopra di una certa misura la temperatura può avere qualche effetto sul dispositivo come indicato nel grafico sottostante:

Mostra la curva del coefficiente di temperatura del diodo zener. Sebbene a tensioni più elevate la curva del coefficiente risponda a circa lo 0,1% per grado Celsius, si sposta attraverso lo zero a 5 V e quindi diventa negativa per i livelli di tensione inferiori. Alla fine raggiunge -0,04% per grado Celsius a circa 3,5 V.

Utilizzo del diodo Zener come sensore di temperatura

Un buon uso della sensibilità del diodo Zener al cambiamento di temperatura è quello di applicare il dispositivo come dispositivo sensore di temperatura come mostrato nel diagramma seguente

Il diagramma mostra una rete a ponte costruita utilizzando una coppia di resistori e una coppia di diodi Zener aventi caratteristiche identiche. Uno dei diodi zener funziona come un generatore di tensione di riferimento, mentre l'altro diodo zener viene utilizzato per rilevare i cambiamenti nei livelli di temperatura.

Uno Zener standard da 10 V può avere un coefficiente di temperatura di + 0,07% / ° C che può corrispondere a una variazione di temperatura di 7 mV / ° C. Questo creerà uno squilibrio di circa 7 mV tra i due bracci del ponte per ogni singola variazione di grado Celsius della temperatura. Un misuratore FSD completo di 50 mV può essere utilizzato nella posizione indicata per mostrare le letture di temperatura corrispondenti.

Personalizzazione del valore del diodo Zener

Per alcune applicazioni circuitali può essere necessario avere un valore zener preciso che può essere un valore non standard o un valore non immediatamente disponibile.

In questi casi è possibile creare una serie di diodi zener che possono quindi essere utilizzati per ottenere un valore di diodo zener personalizzato desiderato, come mostrato di seguito:

In questo esempio, molti valori zener personalizzati e non standard potrebbero essere acquisiti tra i vari terminali, come descritto nell'elenco seguente:

È possibile utilizzare altri valori nelle posizioni indicate per ottenere molti altri set personalizzati di output del diodo zener

Diodi Zener con alimentazione AC

I diodi Zeners vengono normalmente utilizzati con alimentazioni CC, tuttavia questi dispositivi possono essere progettati per funzionare anche con alimentazioni CA. Alcune applicazioni CA dei diodi zener includono audio, circuiti RF e altre forme di sistemi di controllo CA.

Come mostrato nell'esempio seguente, quando viene utilizzata un'alimentazione CA con un diodo zener, lo zener condurrà istantaneamente non appena il segnale CA passa da zero verso la metà negativa del suo ciclo. Perché, il segnale è negativo, quindi l'AC verrà cortocircuitato tramite l'anodo al catodo dello zener, facendo apparire 0 V sull'uscita.

Quando l'alimentazione CA si sposta attraverso la metà positiva del ciclo, lo zener non conduce finché l'AC non sale al livello di tensione zener. Quando il segnale CA attraversa la tensione zener, lo zener conduce e stabilizza l'uscita a un livello di 4,7 V, finché il ciclo CA non torna a zero.

Ricorda, mentre usi zener con un ingresso CA, assicurati che Rs sia calcolato in base alla tensione di picco CA.

Nell'esempio sopra, l'uscita non è simmetrica, piuttosto un pulsante 4,7 V CC. Per ottenere un'uscita simmetrica di 4,7 V CA, è possibile collegare due zener schiena contro schiena come illustrato nello schema seguente

Soppressione del rumore del diodo Zener

Sebbene i diodi zener forniscano un modo semplice e veloce per creare uscite a tensione fissa stabilizzate, hanno uno svantaggio che può influenzare circuiti audio sensibili come gli amplificatori di potenza.

I diodi Zener generano rumore durante il funzionamento a causa del loro effetto valanga di giunzione durante la commutazione, che va da 10 uV a 1 mV. Questo può essere soppresso aggiungendo un condensatore in parallelo con il diodo zener, come mostrato di seguito:

Il valore del condensatore può essere compreso tra 0,01 uF e 0,1 uF, il che consentirà la soppressione del rumore di un fattore 10 e manterrà la migliore stabilizzazione della tensione possibile.

Il grafico seguente mostra l'effetto del condensatore per la riduzione del rumore del diodo zener.

Utilizzo di Zener per il filtraggio della tensione di ondulazione

I diodi Zener possono essere applicati anche come filtri efficaci per la tensione di ondulazione, proprio come vengono utilizzati per la stabilizzazione della tensione CA.

A causa della sua impedenza dinamica estremamente bassa, i diodi zener sono in grado di funzionare come un filtro a ondulazione allo stesso modo dei condensatori di filtro.

È possibile ottenere un filtraggio delle ondulazioni molto impressionante collegando un diodo Zener attraverso il carico, con qualsiasi sorgente CC. Qui, la tensione deve essere la stessa del livello minimo di ondulazione.

Nella maggior parte delle applicazioni circuitali, questo può funzionare con la stessa efficacia di un tipico condensatore di livellamento con capacità di diverse migliaia di microfarad, con conseguente riduzione significativa del livello di tensione di ondulazione sovrapposta all'uscita CC.

Come aumentare la capacità di gestione della potenza del diodo Zener

Un modo semplice per aumentare la capacità di gestione della potenza del diodo zener è probabilmente collegarli in parallelo come mostrato di seguito:

Tuttavia, praticamente questo potrebbe non essere così semplice come sembra e potrebbe non funzionare come previsto. Questo perché, proprio come qualsiasi altro dispositivo a semiconduttore, anche gli zener non hanno mai caratteristiche esattamente identiche, quindi uno degli zener può condurre prima dell'altro attirando l'intera corrente attraverso se stesso, finendo per essere distrutto.

Un modo rapido per ovviare a questo problema potrebbe essere quello di aggiungere resistori in serie di valori bassi con ciascun diodo zener come mostrato di seguito, che consentirà a ciascun diodo zener di condividere la corrente in modo uniforme attraverso la compensazione delle cadute di tensione generate dai resistori R1 e R2:

Sebbene la capacità di gestione della potenza possa essere aumentata collegando i diodi Zener in parallelo, un approccio molto migliorato potrebbe essere quello di aggiungere uno shunt BJT insieme a un diodo zener configurato come sorgente di riferimento. Si prega di vedere il seguente schema di esempio per lo stesso.

L'aggiunta di un transistor shunt non solo migliora la capacità di gestione della potenza zener di un fattore 10, ma migliora ulteriormente il livello di regolazione della tensione dell'uscita, che può essere alto quanto il guadagno di corrente specificato del transistor.

Questo tipo di regolatore zener a transistor shunt può essere utilizzato per scopi sperimentali perché il circuito presenta una struttura a prova di cortocircuito al 100%. Detto questo, il design è piuttosto inefficiente perché il transistor può dissipare una quantità significativa di corrente in assenza di carico.

Per risultati ancora migliori, a transistor passa in serie tipo di regolatore come mostrato di seguito sembra un'opzione migliore e preferibile.

In questo circuito il diodo Zener crea una tensione di riferimento per il transistor pass in serie, che, essenzialmente, funziona come un emettitore follower . Di conseguenza, la tensione dell'emettitore viene mantenuta tra pochi decimi di volt della tensione di base del transistor come creata dal diodo Zener. Di conseguenza il transistor funziona come un componente in serie e consente un efficace controllo delle variazioni della tensione di alimentazione.

L'intera corrente di carico ora scorre attraverso questo transistor in serie. La capacità di gestione della potenza di questo tipo di configurazione è stabilita totalmente dal valore e dalle specifiche dei transistor, e dipende anche dall'efficienza e dalla qualità del dissipatore utilizzato.

È possibile ottenere una regolazione eccellente dal progetto di cui sopra utilizzando un resistore in serie 1k. La regolazione potrebbe essere aumentata con un fattore 10 sostituendo il normale zener con uno speciale diodo zener a bassa dinamica come 1N1589).

Nel caso in cui si desidera che il circuito di cui sopra fornisca un'uscita regolata a tensione variabile, potrebbe essere facilmente ottenuto utilizzando un potenziometro da 1K sul diodo Zener. Ciò consente di regolare una tensione di riferimento variabile alla base del transistor in serie.

Tuttavia, questa modifica può comportare una minore efficienza di regolazione a causa di alcuni effetti di derivazione creati dal potenziometro.

Circuito a diodi Zener a corrente costante

Un semplice alimentatore a corrente costante regolata da Zener può essere progettato attraverso un singolo transistor come un resistore in serie variabile. La figura seguente mostra lo schema elettrico di base.

Puoi vedere una coppia di passaggi del circuito qui, uno tramite il diodo zener collegato in serie con il resistore di polarizzazione, mentre l'altro percorso è attraverso i resistori R1, R2 e il transistor in serie.

Nel caso in cui la corrente devia dal suo intervallo originale, crea una variazione proporzionale nel livello di polarizzazione di R3, che a sua volta fa aumentare o diminuire proporzionalmente la resistenza del transistor in serie.

Questa regolazione della resistenza del transistor si traduce in una correzione automatica della corrente di uscita al livello desiderato. La precisione del controllo della corrente in questo modello sarà di circa +/- 10% in risposta a condizioni di uscita che possono variare tra un cortocircuito e un carico fino a 400 Ohm.

Circuito di commutazione a relè sequenziale con diodo Zener

Se si dispone di un'applicazione in cui è necessario commutare in sequenza una serie di relè uno dopo l'altro sull'interruttore di alimentazione invece di attivarli tutti insieme, il seguente design può rivelarsi molto utile.

Qui, i diodi zener ad incremento sequenziale sono installati in serie con un gruppo di relè insieme a singole resistenze in serie a basso valore. All'accensione, i diodi zener conducono uno dopo l'altro in sequenza in un ordine crescente dei loro valori zener. Ciò si traduce nell'accensione del relè nella sequenza desiderata dall'applicazione. I valori delle resistenze possono essere 10 ohm o 20 ohm a seconda del valore di resistenza della bobina del relè.

Circuito a diodi Zener per protezione da sovratensione

A causa della loro caratteristica sensibile alla tensione, è possibile combinare i diodi Zener con la caratteristica sensibile alla corrente dei fusibili per proteggere i componenti cruciali del circuito da sovratensioni ad alta tensione, ed inoltre eliminare il fastidio del fusibile che si brucia frequentemente, cosa che può accadere specialmente quando un fusibile è classificato è molto vicino alla specifica di corrente di esercizio del circuito.

Unendo un diodo Zener correttamente dimensionato attraverso il carico, è possibile utilizzare un fusibile adeguatamente tarato per gestire la corrente di carico prevista per periodi prolungati. In questa situazione, supponiamo che la tensione di ingresso aumenti in una misura che supera la tensione di rottura Zener - forzerà il diodo Zener a condurre. Ciò causerà un aumento improvviso della corrente che fa saltare il fusibile quasi istantaneamente.

Il vantaggio di questo circuito è che impedisce al fusibile di saltare frequentemente e in modo imprevedibile a causa del suo valore di fusione vicino alla corrente di carico. Invece, il fusibile si brucia solo quando la tensione e la corrente aumentano effettivamente oltre un livello non sicuro specificato.

Circuito di protezione da sottotensione che utilizza diodo Zener

Un relè e un diodo zener opportunamente selezionato sono sufficienti per creare un accurato circuito di protezione da interruzione di bassa tensione o sottotensione per qualsiasi applicazione desiderata. Lo schema elettrico è presentato di seguito:

Il funzionamento in realtà è molto semplice, l'alimentazione Vin che si acquisisce da una rete a ponte trasformatore varia proporzionalmente in funzione delle variazioni AC in ingresso. Ciò significa che, se si suppone che 220 V corrisponda a 12 V dal trasformatore, 180 V dovrebbe corrispondere a 9,81 V e così via. Pertanto, se si presume che 180 V sia la soglia di interruzione della bassa tensione, la selezione del diodo zener come dispositivo a 10 V interromperà il funzionamento del relè ogni volta che l'ingresso CA scende al di sotto di 180 V.