Diode stabilizatoare de tensiune

Diode stabilizatoare de tensiune

Diodele stabilizatoare de tensiune, denumite si diode cu avalansa sau diode Zener (avalanche diodes, Zener diodes), sunt dispozitive electronice semiconductoare speciale din siliciu, destinate circuitelor de stabilizare a unei tensiuni la bornele unei sarcini sau a curentului prin sarcina, circuitelor de limitare a amplitudinii tensiunilor si de protectie a dispozitivelor, circuitelor de prelucrare a impulsurilor, realizarii cuplajului intre etajele unui amplificator de c.c.  etc.

Dioda stabilizatoare de tensiune este un dipol constituit dintr-o jonctiune PN, legata la doi electrozi externi, numiti anod (A) si catod (K). Atunci cand este polarizata invers, o astfel de dioda isi va mentine tensiunea la borne aproape constanta, pentru o variatie importanta a curentului invers ce o strabate. Efectul Zener si efectul de avalansa, ce apar in functionarea acestor diode polarizate invers, prezinta cateva trasaturi importante:

- sunt nedistructive atat timp cat puterea disipata in jonctiune nu depaseste

- sunt reproductibile;

- se produc pentru tensiuni inverse , fixate in timpul procesului tehnologic de realizare a dispozitivului.

Tensiunea stabilizata poate avea valori mergand de la cativa volti, pana la cateva sute de volti, in toata gama de puteri disipate. In fig. 1, sunt date trei simboluri grafice ce se utilizeaza pentru reprezentarea acestui tip de diode.

Fig. 1. Simbolurile grafice utilizate in reprezentarea diodelor stabilizatoare de tensiune

1. Modele de semnal mare

Comportarea diodei polarizate direct si invers (cu tensiuni inferioare tensiunii de strapungere) poate fi descrisa cu ajutorul ecuatiei caracteristice (2.1.1) a diodei redresoare. Functionarea diodei ideale in regim de strapungere electrica ar putea fi descrisa de relatiile (2.1.8) si (2.1.9).

Caracteristica statica a unei diode stabilizatoare de tensiune este prezentata in fig. 2. Tensiunea nominala de stabilizare, , este valoarea absoluta a tensiunii stabilizate (specificatie de catalog, impreuna cu toleranta), ce corespunde curentului invers Pe caracteristica statica a diodei, marimile si corespund p.s.f. . Zona utila a caracteristicii statice este delimitata de valorile minima si maxima ale curentului invers, si . La curenti mai mici decat , nu mai este posibila producerea strapungerii electrice a jonctiunii, iar pentru , sunt depasite valorile termice limita absoluta.

Tensiunea stabilizata este influentata de temperatura, conform legii

(1)

unde este coeficientul de temperatura al tensiunii , definit prin relatia

(2)

Valoarea si semnul coeficientului depind de constructia diodei. Astfel, diodele cu au regiunile jonctiunii puternic dopate si . Aceste diode pot fi numite diode Zener, intrucat functionarea acestor componente se bazeaza pe efectul Zener. Pentru diodele cu , cu regiunile mai slab dopate, ; caracteristica statica a acestor diode cu avalansa rezulta prin efectul de multiplicare in avalansa a purtatorilor. Cele doua efecte, Zener si de avalansa, sunt responsabile de obtinerea unei caracteristici cu . Pentru acest domeniu de valori al tensiunilor stabilizate, coeficientul poate fi negativ sau pozitiv.

Fig. 2. Caracteristica statica a unei diode stabilizatoare de tensiune

Variatii mici ale tensiunii in jurul valorii antreneaza variatii mari ale curentului invers. Aceasta comportare a diodei la variatii de frecvente joase este caracterizata prin rezistenta dinamica sau diferentiala,

(3)

Foaia de catalog a unei diode stabilizatoare de tensiune prezinta, pentru o temperatura data a mediului ambiant sau a capsulei, principalele caracteristici electrice:

tensiunile stabilizate , corespunzatoare curentilor

coeficientul de temperatura al tensiunii stabilizate,

valoarea maxima a rezistentei diferentiale in punctele si si

Daca pentru , rezistenta diferentiala are valori tipice de la ordinul ohmilor la zeci de ohmi, (in punctul de cot al caracteristicii) ajunge la valori de ordinul sutelor de ohmi.

Prin liniarizarea pe portiuni a caracteristicii statice, pot fi obtinute modele liniare cu circuit echivalent, ce descriu comportarea diodei in regim de semnal mare si frecvente joase (fig. 3).

Fig. 3. Caracteristica statica liniarizata a unei diode stabilizatoare de tensiune

Liniarizarea portiunii de caracteristica din cadranul I conduce la modelul liniar prezentat la dioda redresoare, pentru polarizare directa (fig. 4a). Prin trasarea tangentei la portiunea de caracteristica din cadranul III, in punctul , se obtine un model asemanator aceluia al diodei polarizate direct (fig. 4b).

Fig. 4. Modelele liniare de semnal mare, cu circuit echivalent, ale unei diode stabilizatoare de tensiune: a. la polarizare directa; b. la polarizare inversa

Pe caracteristica liniarizata, portiunea utila care confera proprietatea de stabilizare a tensiunii este segmentul de dreapta delimitat prin valorile nula si maxima ale curentului . Acest model liniar, care contine o sursa de tensiune continua , in serie cu rezistenta , constituie o aproximare suficienta pentru caracterizarea functionarii diodei stabilizatoare de tensiune la semnale mari, de joasa frecventa si in regim de c.c.

Evident, la fel ca in cazul parametrilor si , parametrii elementelor celui de-al doilea model ( ) vor avea valori diferite, daca p.s.f. va fi diferit de si pentru o alta temperatura a mediului ambiant. Tensiunea joaca rolul unui prag de stabilizare. In functie de aplicatia concreta, modelul poate fi simplificat, dar numai prin neglijarea efectului rezistentei diferentiale.

2. Modele de semnal mic

Pentru un regim de variatii mici in jurul unui punct de repaus, plasat pe ramura caracteristicii corespunzatoare polarizarii directe, modelul de semnal mic al diodei stabilizatoare de tensiune este acela stabilit pentru dioda redresoare (fig. 2.1.8). Daca p.s.f. este , atunci modelele simplificate de semnal mic al diodei stabilizatoare sunt acelea prezentate in fig. 5, unde s-a presupus ca rezistenta serie si inductivitatea serie au efect neglijabil. Capacitatea totala a diodei este data de capacitatea de bariera a jonctiunii PN si de capacitatea parazita a capsulei,

(4)

In foaia de catalog, este prezentata dependenta capacitatii totale a diodei de tensiunea inversa aplicata, prin graficul . Pentru variatii de joasa frecventa, modelul diodei se reduce la rezistenta dinamica

Fig. 5. Modelele de semnal mic, cu circuit echivalent (p.s.f. Q_T este plasat in regiunea de stabilizare): a. frecvente joase; b. frecvente inalte

3. Solicitari maxime in curent si in tensiune

Pentru diodele stabilizatoare de tensiune, producatorul prezinta valorile limita absoluta termice si electrice. Dintre valorile limita absoluta electrice, sunt precizate limitarile impuse curentului direct si invers, intrucat dioda isi autolimiteaza tensiunea inversa la borne, prin constructie. Sunt mentionate, frecvent:

, curentul maxim de stabilizare (Maximum Regulation Current) ,

sau , curentul direct continuu maxim (Maximum Continuous Forward Current),

, valoarea de varf a curentului invers de suprasarcina accidentala (Maximum Peak Surge Reverse Current) sau , valoarea de varf a puterii disipate, la polarizare inversa, in cazul unei suprasarcini accidentale (Maximum Peak Surge Reverse Power Dissipation).

Toate aceste marimi sunt corelate cu si cu valorile limita absoluta ale temperaturilor. In nici un regim de lucru, punctul de functionare al diodei nu trebuie sa traverseze regiunea stabilita ca sigura, marginita si de hiperbola de disipatie maxima admisibila (fig. 6).

Fig. 6. Hiperbola de disipatie maxima admisibila, pentru o dioda stabilizatoare de tensiune