Dioda Zener

Dioda Zener

Stabilizarea tensiunii cu ajutorul diodelor

La conectarea unei diode in serie cu un rezistor intr-un circuit de curent continuu, astfel incat dioda sa fie polarizata direct, caderea de tensiune la bornele diodei va ramane aproximativ constanta pentru o plaja larga de tensiuni de alimentare (figura alaturata).

Conform ecuatiei diodei, curentul printr-o jonctiune P-N polarizata direct este direct proportional cu e ridicat la puterea tensiunii directe (tensiunea de polarizare directa). Deoarece ecuatia este exponentiala, curentul creste foarte repede pentru cresteri modeste ale caderii de tensiune. Cu alte cuvinte, caderea de tensiune la bornele unei diode polarizate direct variaza foarte putin pentru variati mari ale curentului prin dioda. In circuitul din figura de mai sus, curentul prin dioda este limitat de tensiunea sursei de alimentare, de rezistorul conectat in serie si de caderea de tensiune la bornele diodei, care dupa cate stim, nu se indeparteaza foarte mult de valoarea de 0.7 V. Daca am fi sa crestem tensiunea generata de sursa, caderea de tensiune pe rezistor ar creste cu aproape aceeasi valoare, iar caderea de tensiune pe dioda ar creste doar foarte putin. Invers, o scadere a tensiunii generata de sursa, rezulta intr-o descrestere aproape identica a caderii de tensiune pe rezistor si doar intr-o mica descrestere a caderii de tensiune pe dioda. Pe scurt, putem spune ca dioda stabilizeaza tensiunea la valoarea de 0,7 V.

Scopul stabilizarii tensiunii

Stabilizarea tensiunii este o proprietatea foarte folositoare. Sa presupunem ca am construi un circuit, al carei sarcini nu ar tolera variatii ale tensiunii sursei de alimentare, dar ca acest circuit trebuie sa fie alimentat de o baterie, a carei tensiune, dupa cate se stie, variaza pe durata sa de functionare. Am putea folosi in acest caz circuitul din figura de mai sus, iar circuitul in cauza sa-l conectam la bornele diodei, astfel incat tensiunea de alimentare a noului circuit sa ramana stabila la valoarea de 0,7 V.

Cresterea valorii tensiunii stabilizate

Majoritatea circuitelor reale necesita insa o sursa de tensiune stabilizata cu o valoare de peste 0,7 V. O modalitate de crestere a tensiunii stabilizate este conectarea mai multor diode in serie, astfel incat tensiunile de polarizare directa sa se insumeze.

De exemplu, daca am conecta zece diode in serie, valoarea tensiunii stabilizate ar fi de zece ori mai mare fata de cazul precedent, adica 7 V.

Atata timp cat tensiunea bateriei nu scade sub 7 V, vor exista tot timpul 7 V (tensiune stabilizata) intre bornele celor diode conectate in serie.

Polarizarea inversa a diodei

Daca avem nevoie de tensiuni stabilizate si mai mari, putem folosi si mai multe diode in serie, sau putem incerca o metoda complet diferita, folosindu-ne tot de diode. Stim ca tensiunea de polarizare a diodei este o valoare aproximativ constanta pentru o plaja larga de conditii, dar acelasi lucru este valabil si pentru tensiune (inversa) de strapungere, iar valoarea acestei tensiuni de strapungere este de obicei mult mai mare decat tensiunea directa. Daca inversam polaritatea diodei in circuitul stabilizator de mai sus, si crestem tensiunea sursei de alimentare pana in punctul de strapungere al diodei, dioda va stabiliza si in acest caz tensiunea la acel punct de strapungere, nepermitand tensiunii sa creasca peste aceasta valoare.

Utilizarea diodelor Zener pentru stabilizarea tensiunii

Din pacate, cand diodele redresoare normale ating punctul de strapungere, acest faptul duce si la distrugerea acestora. Totusi, se pot construi diode speciale ce pot suporta tensiunea de strapungere fara distrugerea completa a acestora. Acest tip de dioda poarta numele de dioda Zener, iar simbolul este cel din figura alaturata.

Tensiunea Zener

La polarizarea directa, diodele Zener se comporta precum diodele redresoare standard: tensiunea directa are valoarea de 0,7 V, conform ecuatiei diodei. La polarizarea inversa insa, acestea nu conduc curentul decat peste o anumita valoare a tensiunii de alimentare, valoare denumita tensiune Zener; dupa atingerea acestei valori, dioda Zener va putea sa conduca un curent substantial, dar va limita caderea de tensiune la bornele sale la acea tensiune Zener. Atata timp cand puterea disipata sub forma de caldura nu depaseste limita termica a diodei, aceasta nu va fi afectata in niciun fel.

Diodele Zener sunt confectionate cu tensiuni Zener de cativa volti pana la sute de volti. Tensiunea Zener variaza usor cu temperatura, dar acestea pot fi folosite cu succes ca dispozitive de stabilizare a tensiunii datorita stabilitatii si acuratetii lor in functionare.

Polarizarea corecta a diodelor Zener

Atentie! Orientarea diodei Zener fata de sursa de tensiune in circuitul de mai sus este astfel incat dioda sa fie polarizata invers. Acesta este modul corect de conectare a diodelor Zener in circuit! Daca am fi sa conectam dioda Zener invers, astfel incat sa fie polarizata direct, aceasta s-ar comporta precum o dioda "normala", iar tensiunea de polarizare directa ar avea o valoare de doar 0,7 V.

Limita termica si distrugerea diodei Zener

Ca si oricare dispozitiv semiconductor, dioda Zener este sensibila la temperatura. O temperatura excesiva poate duce la distrugerea diodei, astfel ca va trebui sa se tina seama de puterea maxima permisa a diodei la proiectarea circuitelor. Interesant este faptul ca, la distrugerea diodei Zener, datorita caldurii excesive, distrugerea rezultata duce la scurt-circuitarea diodei, nu la deschiderea. O astfel de dioda "stricata" poate fi detectata foarte usor, intrucat se comporta precum un conductor electric: caderea de tensiune este aproape zero atat la polarizarea directa cat si la polarizarea inversa.

Exemplu practic de utilizare a diodei Zener

Vom rezolva matematic circuitul precedent, determinand toate tensiunile, curentii si puterile disipate, pentru o tensiune Zener de 12,6 V, o sursa de tensiune de 45 V si o valoare a rezistorului de 1.000 Ω.

Sa calculam prima data puterile pe rezistor si pe dioda:

O dioda Zener cu o putere de 0,5 W si un rezistor cu o putere de 1,5 sau 2 W sunt suficiente pentru aceasta aplicatie.

Minimizarea puterii disipate

Daca puterea excesiva disipata este atat de importanta, de ce nu am proiecta un circuit astfel incat sa existe o putere disipata minima? De ce nu am introduce un rezistor cu o valoare foarte mare a rezistentei, limitand prin urmare curentul si mentinand puterea disipata la valori foarte scazute?

Sa luam de exemplu circuitul alaturat, cu un rezistor de 100 kΩ in loc de rezistorul de 1 kΩ din circuitul precedent. Atat tensiunea de alimentarea cat si tensiunea Zener sunt cele din exemplul precedent.

Avand un curent de 100 de ori mai mic decat inainte (324 µA in loc de 32,4 mA), ambele valori ale puterilor disipate ar trebui sa fie de 100 de ori mai mici:

Acesta configuratie pare ideala. O putere disipata mai mica inseamna temperaturi de functionare mai mici atat pentru dioda Zener cat si pentru rezistor si o pierdere de energie mai mica in sistem. Intr-adevar, o rezistenta mai mare reduce puterile disipate din circuit, dar, introduce o alta problema. Scopul unui stabilizator de tensiune este alimentarea unui circuit secundar cu o tensiune stabila. Va trebui pana la urma sa alimentam un alt circuit cu 12,6 V, iar acest circuit legat la bornele diodei Zener va necesita si el un anumit curent.

Modificarea sarcinii

Sa consideram primul circuit, conectat de aceasta data la o sarcina de 500 Ω in paralel cu dioda Zener:

Daca se mentine o tensiune de 12,6 V pe sarcina de 500 Ω, aceasta va folosi un curent de 25,2 mA. Pentru ca rezistorul de 1 kΩ in serie cu sursa de tensiune sa prezinte o cadere de tensiune de 32,4 V (45 V, tensiunea sursei - 12,6 V, caderea de tensiune pe dioda), acesta va trebui sa conduca un curent de 32,4 mA. Acest lucru inseamna ca prin dioda Zener va trece un curent de 7.2 mA.

Modificarea rezistorului de intrare

Sa consideram acum al doilea circuit de stabilizare a tensiunii cu un rezistor de 100 kΩ, alimentand aceeasi sarcina de 500 Ω. Ceea ce ar trebui sa faca acest circuit, este sa mentina o cadere de tensiune de 12,6 V la bornele sarcini, la fel ca in circuitul precedent. Dar, dupa cum putem vedea, circuitul stabilizator nu poate realiza acest lucru.

Datorita prezentei rezistorului foarte mare in serie cu sursa de tensiune, pe sarcina va exista o cadere de tensiune de doar 224 mV, mult mai putin decat valoarea dorita de 12,6 V. De ce se intampla acest lucru? Daca am fi sa avem 12,6 V pe sarcina, curentul prin sarcina ar fi de 25,2 mA, la fel ca inainte. Acest curent de sarcina ar trebui sa treaca si prin rezistorul serie de valoare mult mai mare fata de cazul precedent, iar caderea de tensiune necesara pentru sustinerea unui astfel de curent de 25,2 mA ar trebui sa fie de 2.520 V! Din moment ce nu avem o tensiune asa de mare la bornele sursei de alimentare, acest lucru nu este posibil. De asemenea, putem observa, ca in circuitul de mai sus dioda este blocata.

Indepartarea temporara a diodei Zener

Putem intelege mai usor situatia de mai sus daca indepartam temporar dioda Zener din circuit si analizam doar comportamentul celor doi rezistori.

Realizarea calculelor

Circuitul stabilizator cu rezistorul de 100 kΩ are totusi o anumita valoare a rezistentei sarcinii pentru care tensiunea la bornele sale este de 12,6 V. Putem afla aceasta valoare facand un mic calcul. Introducem toate valorile cunoscute intr-un tabel, de forma celui alaturat.

Caderea de tensiune pe rezistorul serie de 100 kΩ este diferenta caderilor de tensiune dintre sursa (coloana total) si sarcina.

Putem calcula curentul prin rezistorul serie folosind legea lui Ohm (I = E / R).

Fiind un circuit serie, curentul este acelasi prin toate componentele.

Putem acum calcula rezistenta sarcinii folosind legea lui Ohm (R = E / I).

Concluzii

Prin urmare, daca rezistenta sarcini este exact 38,89 kΩ, vom avea o cadere de tensiune de 12,6 V la bornele sale, cu sau fara dioda. Orice rezistenta de sarcina mai mica decat aceasta valoare va duce la o cadere de tensiune mai mica de 12,6 V, cu sau fara dioda. Daca inseram si dioda Zener conform configuratiei initiale, caderea de tensiune maxima pe sarcina va fi stabilizata la o valoare maxima de 12,6 V pentru oricare sarcina mai mare decat 38,89 kΩ

Cu valoarea initiala a rezistorului serie de 1 kΩ, circuitul putea sa stabilizeze tensiunea chiar si pentru o sarcina mult mai mica, de 500 Ω. Ceea ce vedem este un compromis intre puterea disipata si valoarea acceptabila a sarcinii. Cu cat rezistorul serie este mai mare si puterea disipata este mai mica, cu atat valoarea minima a rezistentei sarcinii trebuie sa fie mai mare. Daca vrem sa stabilizam tensiunea pentru o sarcina mica (rezistenta mica), circuitul trebuie astfel conceput incat sa suporte puteri mari de disipatie.

Circuit limitator cu diode Zener

Un circuit limitator ce "taie" varfurile formei de unda aproximativ la tensiunea Zener a diodelor, este prezentat in figura alaturata. Circuitul este format din doua diode Zener conectate spate-in-spate. Rolul rezistorului este de limitare a curentului prin diode, pentru protectia acestora.

Tensiunea de strapungere pentru cele doua diode este fixata la 10 V. Acest lucru duce la taierea formei de unda la aproximativ 10 V. Diodele, puse spate-in-spate, taie ambele varfuri. Pentru semi-alternanta pozitiva, dioda de sus este polarizata invers. Caderea de tensiune pe dioda de jos este 0,7 V, fiind polarizata direct. Astfel, taierea exacta a formei de unda se realizeaza in jurul valorii de 10,7 V. Acelasi lucru este valabil si pentru semi-alternanta negativa (-10.7 V):