Manufaturação industrial
Internet das coisas industrial | Materiais industriais | Manutenção e reparo de equipamentos | Programação industrial |
home  MfgRobots >> Manufaturação industrial >  >> Manufacturing Technology >> Tecnologia industrial

O que são diodos Zener?

O que é um diodo Zener?


Um diodo Zener é um tipo especial de diodo retificador que pode lidar com avarias devido à tensão de ruptura reversa sem falhar completamente. Aqui, discutiremos o conceito de uso de diodos para regular a queda de tensão e como o diodo Zener opera no modo de polarização reversa para regular a tensão em um circuito.

Como os diodos regulam a queda de tensão


Se conectarmos um diodo e um resistor em série com uma fonte de tensão DC de modo que o diodo seja polarizado diretamente, a queda de tensão no diodo permanecerá razoavelmente constante em uma ampla faixa de tensões da fonte de alimentação, como na figura (a) abaixo.

A corrente através de uma junção PN polarizada para frente é proporcional a e elevado à potência da queda de tensão direta. Por ser uma função exponencial, a corrente aumenta muito rapidamente para aumentos modestos na queda de tensão.

Outra maneira de considerar isso é dizer que a queda de tensão em um diodo com polarização direta muda pouco para grandes variações na corrente do diodo. No circuito mostrado na figura (a) abaixo, a corrente do diodo é limitada pela tensão da fonte de alimentação, o resistor em série e a queda de tensão do diodo, que como sabemos não varia muito de 0,7 volts.



Referência de Si polarizada direta:(a) diodo único, 0,7 V, (b) 10 diodos em série 7,0 V.

Se a tensão da fonte de alimentação fosse aumentada, a queda de tensão do resistor aumentaria quase a mesma quantidade e a tensão do diodo cairia um pouco. Por outro lado, uma diminuição na tensão da fonte de alimentação resultaria em uma diminuição quase igual na queda de tensão do resistor, com apenas uma pequena diminuição na queda de tensão do diodo.

Em uma palavra, poderíamos resumir esse comportamento dizendo que o diodo está regulando a queda de tensão em aproximadamente 0,7 volts.

O uso de regulação de tensão


A regulação da tensão é uma propriedade útil do diodo a ser explorada. Suponha que estivéssemos construindo algum tipo de circuito que não pudesse tolerar variações na tensão da fonte de alimentação, mas precisasse ser alimentado por uma bateria química, cuja tensão muda ao longo de sua vida. Poderíamos formar um circuito como mostrado acima e conectar o circuito que requer tensão constante através do diodo, onde receberia 0,7 volts constantes.

Isso certamente funcionaria, mas a maioria dos circuitos práticos de qualquer tipo requerem uma tensão de alimentação superior a 0,7 volts para funcionar corretamente. Uma maneira de aumentar nosso ponto de regulação de tensão seria conectar vários diodos em série de modo que suas quedas de tensão direta individuais de 0,7 volts cada se somassem para criar um total maior.

Por exemplo, em nosso exemplo acima [figura (b)], se tivéssemos dez diodos em série, a tensão regulada seria dez vezes 0,7, ou 7 volts.

Contanto que a tensão da bateria nunca caísse abaixo de 7 volts, sempre haveria cerca de 7 volts caindo na "pilha" de dez diodos.

Como os diodos Zener regulam a tensão


Se tensões reguladas maiores forem necessárias, poderíamos usar mais diodos em série (uma opção deselegante, em minha opinião) ou tentar uma abordagem fundamentalmente diferente.

Sabemos que a tensão direta do diodo é um valor razoavelmente constante em uma ampla gama de condições, mas também a tensão de ruptura reversa. A tensão de ruptura é normalmente muito, muito maior do que a tensão direta.

Se invertêssemos a polaridade do diodo em nosso circuito regulador de diodo único e aumentássemos a tensão da fonte de alimentação até o ponto em que o diodo "quebrasse" (isto é, ele não poderia mais suportar a tensão de polarização reversa impressa nele), o diodo regularia da mesma forma a tensão naquele ponto de ruptura, não permitindo que ela aumentasse ainda mais. Isso é mostrado na figura (a) abaixo.



(a) O diodo de pequeno sinal de Si polarizado reverso quebra em cerca de 100V. (b) Símbolo do diodo Zener.

Infelizmente, quando os diodos retificadores normais “quebram”, eles geralmente o fazem de forma destrutiva. No entanto, é possível construir um tipo especial de diodo que pode lidar com avarias sem falhar completamente. Este tipo de diodo é chamado de diodo Zener , e seu símbolo é mostrado na figura (b) acima.

Quando polarizados diretamente, os diodos Zener se comportam da mesma forma que os diodos retificadores padrão:eles têm uma queda de tensão direta que segue a “equação do diodo” e é de cerca de 0,7 volts. No modo de polarização reversa, eles não conduzem até que a tensão aplicada alcance ou exceda a chamada tensão Zener , em cujo ponto o diodo é capaz de conduzir uma corrente substancial e, ao fazer isso, tentará limitar a tensão que caiu nesse ponto de tensão Zener.

Contanto que a energia dissipada por esta corrente reversa não exceda os limites térmicos do diodo, o diodo não será prejudicado. Por esse motivo, os diodos Zener às vezes são chamados de "diodos de degradação".

Circuito de diodo Zener


Os diodos Zener são fabricados com tensões Zener que variam de alguns volts a centenas de volts. Esta tensão Zener muda ligeiramente com a temperatura e, como os valores comuns do resistor de composição de carbono, pode estar em qualquer lugar de 5 por cento a 10 por cento de erro nas especificações do fabricante. No entanto, essa estabilidade e precisão geralmente são boas o suficiente para que o diodo Zener seja usado como um dispositivo regulador de tensão no circuito de fonte de alimentação comum na figura abaixo.



Circuito regulador de diodo Zener, tensão Zener =12,6 V).

Operação do diodo Zener Observe a orientação do diodo Zener no circuito acima:o diodo é polarizado reverso , e intencionalmente. Se tivéssemos orientado o diodo da maneira “normal”, de modo a ser polarizado diretamente, ele cairia apenas 0,7 volts, assim como um diodo retificador regular. Se quisermos explorar as propriedades de decomposição reversa deste diodo, devemos operá-lo em seu modo de polarização reversa. Enquanto a tensão da fonte de alimentação permanecer acima da tensão Zener (12,6 volts, neste exemplo), a queda de tensão no diodo Zener permanecerá em aproximadamente 12,6 volts.

Como qualquer dispositivo semicondutor, o diodo zener é sensível à temperatura. A temperatura excessiva destruirá um diodo zener e, como ele diminui a tensão e conduz a corrente, produz seu próprio calor de acordo com a Lei de Joule (P =IE). Portanto, deve-se ter o cuidado de projetar o circuito regulador de tal forma que a taxa de dissipação de energia do diodo não seja excedida. Curiosamente, quando os diodos Zener falham devido à dissipação excessiva de energia, eles geralmente falham em curto em vez de abrir. Um diodo que falhou dessa maneira é prontamente detectado:ele cai quase zero na tensão quando polarizado em qualquer direção, como um pedaço de fio.

Análise matemática do circuito regulador de diodo Zener


Vamos examinar um circuito de regulação de diodo Zener matematicamente, determinando todas as tensões, correntes e dissipações de energia. Tomando a mesma forma de circuito mostrada anteriormente, faremos cálculos assumindo uma tensão Zener de 12,6 volts, uma tensão de fonte de alimentação de 45 volts e um valor de resistor em série de 1000 Ω (consideraremos a tensão Zener como exatamente 12,6 volts, de modo a evitar ter que qualificar todas as figuras como "aproximadas" na Figura (a) abaixo

Se a tensão do diodo Zener for 12,6 volts e a tensão da fonte de alimentação for 45 volts, haverá uma queda de 32,4 volts no resistor (45 volts - 12,6 volts =32,4 volts). 32,4 volts caídos em 1000 Ω fornecem 32,4 mA de corrente no circuito. (Figura abaixo (b))



(a) Regulador de tensão Zener com resistor de 1000 Ω. (b) Cálculo de quedas de tensão e corrente.

A potência é calculada multiplicando-se a corrente pela tensão (P =IE), então podemos calcular as dissipações de potência tanto para o resistor quanto para o diodo Zener com bastante facilidade:



Um diodo Zener com uma potência nominal de 0,5 watts seria adequado, assim como um resistor avaliado para 1,5 ou 2 watts de dissipação.

Circuito de diodo Zener com resistências mais altas


Se a dissipação excessiva de energia for prejudicial, por que não projetar o circuito para a menor dissipação possível? Por que não dimensionar o resistor para um valor muito alto de resistência, limitando severamente a corrente e mantendo os valores de dissipação de energia muito baixos? Considere este circuito, por exemplo, com um resistor de 100 kΩ em vez de um resistor de 1 k. Observe que a tensão da fonte de alimentação e a tensão Zener do diodo na figura abaixo são idênticas ao último exemplo:



Regulador Zener com resistor de 100 kΩ.

Com apenas 1/100 da corrente que tínhamos antes (324 µA em vez de 32,4 mA), ambos os valores de dissipação de energia devem ser 100 vezes menores:


Considerações com resistência à carga


Parece ideal, não é? Menos dissipação de energia significa temperaturas operacionais mais baixas para o diodo e o resistor, e também menos energia desperdiçada no sistema, certo? Um valor de resistência mais alto faz reduzem os níveis de dissipação de energia no circuito, mas infelizmente introduz outro problema. Lembre-se de que o objetivo de um circuito regulador é fornecer uma tensão estável para outro circuito . Em outras palavras, eventualmente iremos alimentar algo com 12,6 volts, e esse algo terá um consumo de corrente próprio.

Consideração do resistor de queda de valor inferior


Considere nosso primeiro circuito regulador, desta vez com uma carga de 500 Ω conectada em paralelo com o diodo Zener na figura abaixo.



Regulador Zener com resistor série 1000 Ω e carga de 500 Ω.

Se 12,6 volts forem mantidos em uma carga de 500 Ω, a carga consumirá 25,2 mA de corrente. Para que o resistor de "queda" da série de 1 kΩ caia 32,4 volts (reduzindo a tensão da fonte de alimentação de 45 volts para 12,6 no Zener), ele ainda deve conduzir 32,4 mA de corrente. Isso deixa 7,2 mA de corrente através do diodo Zener.

Consideração sobre o resistor de queda de valor mais alto

Agora considere nosso circuito regulador de “economia de energia” com o resistor de queda de 100 kΩ, fornecendo energia para a mesma carga de 500 Ω. O que ele deve fazer é manter 12,6 volts na carga, assim como o último circuito. No entanto, como veremos, ele não pode realizar esta tarefa. (Figura abaixo)



Zener não regulador com resistor série 100 KΩ com carga de 500 Ω.>

Com o valor maior do resistor de queda no lugar, haverá apenas cerca de 224 mV de tensão na carga de 500 Ω, muito menos do que o valor esperado de 12,6 volts! Por que é isso? Se realmente tivéssemos 12,6 volts na carga, consumiria 25,2 mA de corrente, como antes. Essa corrente de carga teria que passar pelo resistor de queda em série como fazia antes, mas com um novo (muito maior!) Resistor de queda instalado, a tensão caiu através desse resistor com 25,2 mA de corrente passando por ele seria de 2.520 volts! Visto que obviamente não temos tanta voltagem fornecida pela bateria, isso não pode acontecer.

Análise de maior resistência à queda sem diodo Zener

A situação é mais fácil de compreender se removermos temporariamente o diodo Zener do circuito e analisarmos o comportamento dos dois resistores sozinhos na figura abaixo.



Não regulador com Zener removido.

Tanto o resistor de queda de 100 kΩ quanto a resistência de carga de 500 Ω estão em série, dando uma resistência total do circuito de 100,5 kΩ. Com uma tensão total de 45 volts e uma resistência total de 100,5 kΩ, a Lei de Ohm (I =E / R) nos diz que a corrente será 447,76 µA. Calculando as quedas de tensão em ambos os resistores (E =IR), chegamos a 44,776 volts e 224 mV, respectivamente.

Se tivéssemos que reinstalar o diodo Zener neste ponto, ele também “veria” 224 mV através dele, estando em paralelo com a resistência de carga. Isso está muito abaixo da tensão de ruptura Zener do diodo e, portanto, não irá “quebrar” e conduzir corrente. Por falar nisso, nesta baixa tensão, o diodo não conduziria, mesmo se fosse polarizado diretamente! Assim, o diodo deixa de regular a tensão. Pelo menos 12,6 volts devem ser descartados para "ativá-lo".

A técnica analítica de remover um diodo Zener de um circuito e ver se há ou não voltagem suficiente para fazê-lo conduzir é sólida. Só porque um diodo Zener está conectado em um circuito não garante que a tensão Zener total sempre cairá nele! Lembre-se de que os diodos Zener funcionam limitando tensão para algum nível máximo; eles não podem inventar por falta de tensão.

Regra na operação de regulação do diodo Zener


Em resumo, qualquer circuito regulador de diodo Zener funcionará desde que a resistência da carga seja igual ou superior a algum valor mínimo. Se a resistência da carga for muito baixa, ela consumirá muita corrente, deixando cair muita tensão no resistor de queda em série, deixando uma tensão insuficiente no diodo Zener para torná-lo condutor. Quando o diodo Zener para de conduzir corrente, ele não pode mais regular a tensão e a tensão de carga cairá abaixo do ponto de regulação.

Calculando a resistência de carga para certos resistores de queda


Nosso circuito regulador com o resistor de queda de 100 kΩ deve ser bom para algum valor de resistência de carga, no entanto. Para encontrar este valor de resistência de carga aceitável, podemos usar uma tabela para calcular a resistência no circuito em série de dois resistores (sem diodo), inserindo os valores conhecidos de tensão total e diminuindo a resistência do resistor e calculando para uma tensão de carga esperada de 12,6 volts :



Com 45 volts de tensão total e 12,6 volts na carga, devemos ter 32,4 volts em R queda :



Com 32,4 volts no resistor de queda e 100 kΩ de resistência nele, a corrente através dele será de 324 µA:



Sendo um circuito em série, a corrente é igual em todos os componentes a qualquer momento:



Calcular a resistência de carga agora é uma questão simples da Lei de Ohm (R =E / I), dando-nos 38,889 kΩ:



Portanto, se a resistência de carga for exatamente 38,889 kΩ, haverá 12,6 volts nela, com diodo ou sem diodo. Qualquer resistência de carga menor que 38,889 kΩ resultará em uma tensão de carga menor que 12,6 volts, com diodo ou sem diodo. Com o diodo instalado, a tensão de carga será regulada para um máximo de 12,6 volts para qualquer resistência de carga maior do que 38,889 kΩ.

Com o valor original de 1 kΩ para o resistor de queda, nosso circuito regulador foi capaz de regular adequadamente a tensão, mesmo para uma resistência de carga tão baixa quanto 500 Ω. O que vemos é uma compensação entre a dissipação de energia e a resistência de carga aceitável. O resistor de queda de valor mais alto nos deu menos dissipação de energia, às custas de aumentar o valor mínimo aceitável de resistência de carga. Se quisermos regular a tensão para resistências de carga de baixo valor, o circuito deve estar preparado para lidar com uma dissipação de potência mais alta.

Como o diodo Zener faz a regulação da tensão


Os diodos Zener regulam a tensão agindo como cargas complementares, puxando mais ou menos corrente conforme necessário para garantir uma queda de tensão constante na carga. Isso é análogo a regular a velocidade de um automóvel freando em vez de variar a posição do acelerador:não só é um desperdício, mas os freios devem ser construídos para lidar com toda a potência do motor quando as condições de direção não o exigirem.

Apesar dessa ineficiência fundamental de projeto, os circuitos reguladores de diodo Zener são amplamente empregados devido à sua simplicidade. Em aplicações de alta potência onde as ineficiências seriam inaceitáveis, outras técnicas de regulação de tensão são aplicadas. Mas mesmo assim, pequenos circuitos baseados em Zener são freqüentemente usados ​​para fornecer uma voltagem de "referência" para acionar um circuito amplificador mais eficiente controlando a alimentação principal.

Voltagens comuns do diodo Zener


Os diodos Zener são fabricados em classificações de tensão padrão listadas na Tabela abaixo. A tabela “Tensões de diodo Zener comuns” lista tensões comuns para peças de 0,3 W e 1,3 W. A potência corresponde ao molde e ao tamanho da embalagem e é a potência que o diodo pode dissipar sem danos.

Tensões de diodo Zener comuns
0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V22V24V27V30V33V36V39V43V47V51V56V62V68V75V100V200V
Cortador de diodo Zener: Um circuito de corte que corta os picos da forma de onda aproximadamente na voltagem Zener dos diodos. O circuito da figura abaixo tem duas séries de Zeners conectadas que se opõem para cortar simetricamente uma forma de onda em quase a voltagem de Zener. O resistor limita a corrente consumida pelos Zeners a um valor seguro.


 * SPICE 03445.eps D1 4 0 diodo D2 4 2 diodo R1 2 1 1,0k V1 1 0 SIN (0 20 1k) .model diodo d bv =10 .tran 0,001m 2m .end 

Cortador de diodo Zener:

A tensão de ruptura Zener para os diodos é definida em 10 V pelo parâmetro do modelo de diodo “bv =10” na lista de especiarias na Figura acima. Isso faz com que os Zeners cortem em cerca de 10 V. Os diodos consecutivos cortam ambos os picos. Para um semiciclo positivo, o Zener superior é polarizado reversamente, quebrando na tensão Zener de 10 V. O Zener inferior cai aproximadamente 0,7 V, pois é polarizado diretamente. Assim, um nível de corte mais preciso é 10 + 0,7 =10,7V. O recorte de meio ciclo negativo semelhante ocorre a -10,7 V. (Figura abaixo) mostra o nível de recorte a um pouco mais de ± 10 V.



Cortador de diodo Zener:a entrada v (1) é cortada na forma de onda v (2).

REVER:

PLANILHAS RELACIONADAS:

Tecnologia industrial

  1. O que são metais refratários?
  2. Regulador de tensão
  3. Diodos para fins especiais
  4. O que são Vias Cheias de Cobre?
  5. O que são Cobots?
  6. O que são Ordens de Serviço Permanentes?
  7. O que são desenhos de loja?
  8. Qual ​​é a tensão direta do diodo?
  9. O que são relés de tensão?
  10. O que é tensão limite?