Conhecendo os diodos zener


Diodo Zener

Os diodos zener , assim nomeados em referência ao físico americano Clarence Melvin Zener (1905-1993), que foi o primeiro a descrever o mecanismo de ruptura de isoladores elétricos são um tipo de diodo que, diferentemente da maioria das aplicações, onde o diodo opera na região de condução, o zener opera sempre polarizado reversamente.

Para compreendermos a forma de operação deste diodo, vamos observar a curva genérica de um diodo.

Curva de um diodo real

Vamos nos focalizar na parte à esquerda do eixo y, onde o diodo está polarizado reversamente. Enquanto a tensão reversa está menor do que a tensão de ruptura, nada em diferente a um diodo convencional. Mas quando se aproxima de um valor que depende do diodo que está sendo analisado, o mesmo conduz e passa a absorver toda a corrente, que então só é limitada pelo valor das resistências externas. Mesmo que tentemos aumentar a tensão reversa acima do valor da tensão zener, isto não será possível. Claro que se a corrente aumentar muito, a dissipação de potência no diodo , dada pelo produto da corrente x tensão nos seus terminais, irá também aumentar e chegará ao ponto de destruição do dispositivo.

O diodo zener, operando reversamente, mantem o valor da tensão máximo entre seus terminais em um valor constante, chamada de tensão do diodo zener.

Para que serve um diodo zener?

  • Primariamente, serve para criarmos circuitos de fontes estabilizadas.
  • Uma segunda aplicação também muito utilizada é na implementação de circuitos clipadores. Os circuitos clipadores são circuitos que deixam passar o sinal sem nenhuma modificação até se atingir um valor de tensão especificado, e limitam a saída a este valor sempre a entrada ultrapassar este limiar.
  • A geração de ruído branco é uma aplicação menos frequente porém não menos importante do diodo zener.

Símbolo de um diodo zener

Temos dois símbolos costumeiramente utilizados para a representação do diodo zener. O simbolo na parte inferior é mais costumeiramente utilizado em nosso meio.

Símbolos do diodo zener

Circuito tipico de um estabilizador de tensão com diodos zener

Observe a figura a seguir:

Circuito estabilizador típico

Vamos imaginar que a corrente de carga é zero, ou seja, foi retirada a resistência de carga. Neste caso toda a corrente passa pelo zener. Como o mesmo está operando reversamente, a tensão em seus terminais é limitada pela tensão zener. A queda de tensão entre a tensão de alimentação e a tensão zener ocorre no resistor Rs. É este resistor o responsável pela limitação da corrente sobre o diodo.

Vamos considerar agora que inserimos uma carga RL. Uma corrente igual a Vz/RL é drenada pelo resistor RL. A corrente sobre o zener diminui, porem a sua tensão continua estável. Enquanto a queda de tensão sobre Rs não provocar uma tensão nos terminais do zener inferior a tensão de ruptura, a tensão na carga continuará estável.

Calculamos inicialmente o resistor Rs. O seu papel é limitar a corrente sobre o zener. Precisamos também calcular a dissipação sobre o diodo para podermos especificar corretamente o mesmo.

Valores padrões de tensão de diodos zener

.para zeners até 500 mW

2.4V 2.7V 3.0V 3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V
5.1V 5.6V 6.2V 6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V
11V 12V 13V 15V 16V 18V 20V 22V
24V 27V 30V 33V 36V 39V 43V 47V

.para zeners de 1.3 W

3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V 5.1V 5.6V 6.2V
6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V 11V 12V 13V
15V 16V 18V 20V 22V 24V 27V 30V
33V 36V 39V 43V 47V 51V 56V 62V

Calculo dos valores de componentes

Para o cálculo de um circuito retificador com zener temos como entrada as seguintes variáveis:

  • 1- Valor de tensão de saída desejada. Veja na tabela anterior com os valores padrões de tensão zener. (Vz)
  • 2- A corrente máxima da carga (IL)
  • 3- A corrente mínima do diodo. (Izmin- Na falta de um dado específico do fabricante podemos considerar 10 mA.
  • 4- A tensão máxima de alimentação (Vmax)
  • 5- A tensão mínima de alimentação (Vmin)

Com estes dados podemos obter:

  • O valor de Rs

R_s= (V_{min}-V_z) / (IL + I_{zmin})

A potência dissipada em Rs no pior caso

P_s = (V_{max}-V_z)^2/R_s

A potência máxima dissipada no diodo é dada por:

P_d = V_z * (V_{max} - V_z) /R_s


O script python (desenvolvido para ser executado em Python3) calculaZener.py realiza estes cálculos para nós

Calculando os valores através de um script python

O cálculo destes valores não é difícil e implementamos um script python que faz exatamente isto. Este script está disponível na página de downloads em https://cadernodelaboratorio.com.br/scripts-softwares-e-arquivos-de-configuracao/ , sob o nome pack170901.tar.gz. .

Copie o arquivo pack170901.tar.gz para um diretório a sua escolha e descomprima neste diretório. Execute o script com o comando:

python3 calculaZener.py

Entre com os parâmetros solicitados pelo programa, pressione o botão calcule, e o resultado será na forma da figura a seguir:

Operação do script calculaZener.py

 

O motivo do cálculo da potencia dissipada em um componente eletrônico, seja ele um resistor ou diodo, é podermos dimensionar o componente para que ele não se aqueça em demasia durante a operação. A regra pratica é escolher um componente com capacidade de dissipação de potência 3 x a potencia efetivamente dissipada. Com isto o componente não irá se aquecer. Por exemplo, se o cálculo mostrou que um resistor irá dissipar 0.8W, devemos utilizar um resistor que dissipe o mínimo de 2.4W. Do ponto de vista comercial usaríamos um resistor de 3 W.
Para mantermos o componente dentro dos limites térmicos, podemos também utilizar dissipadores de calor, muito utilizados em CI, transistores e diodos. O cálculo destes dissipadores será motivo de futuro artigo neste site.

Conectando diodos zener em série

Podemos combinar diodos em série de tal forma que a tensão zener resultante será igual a soma das tensões individuais. A corrente em todos diodos será igual. A potência dissipada por cada diodo será da por:

P_d (W) = V_z (V) * I (A)

Quando precisamos ajustar valores de tensão pequenos, podemos usar na ligação série diodos retificadores comuns operando na região de condução. A queda do diodo será da ordem de 0.7 volts. A figura a seguir mostra como fica um circuito com zeners e diodos retificadores em série. Observe que os zeners estão operando reversamente, e os diodo retificador opera polarizado diretamente. É interessante notar que normalmente utilizamos um capacitor (~100kpf) na saída para atenuar o ruído gerado pelas junções semicondutoras.

Diodos em série

Circuitos clipadores

Uma aplicação dos diodos zeners é na limitação de um sinal de entrada a valores máximos, sem alteração no sinal quando o mesmo está abaixo de um dado limiar (dado pela tensão zener). Este tipo de circuito tem sua aplicação em circuitos de proteção e limitadores de ganho. O diagrama esquemático típico pode ser visto na figura a seguir:

Limitador de tensão com zeners

Circuitos geradores de ruído branco

Em primeiro lugar devemos compreender o que é o ruído branco e porque pode ser necessário gerá-lo. É mais comum passarmos por situações onde desejamos ficar livre dos ruídos, e não gerá-los!

O ruído branco é um sinal aleatório com igual intensidade em diferentes frequências, o que lhe dá uma densidade espectral de potência constante. Ou seja, de 0Hz a infinitos Hz, o ruído tem a mesma amplitude. Um exemplo prático próximo a um ruído com as propriedades de ruído branco é o som gerado por um rádio FM sintonizado fora de qualquer estação, o o chiado de um amplificador de áudio sem nada ligado em sua entrada.

Um sinal de conteúdo espectral constante tem um papel muito importante na avaliação de amplificadores e filtros. Além disto possui aplicações no mascaramento de zumbido, na avaliação de sistemas de som ao ar livre, na geração de números aleatórios para computação, e outros.

Um circuito que gera ruído branco a partir de um diodo zener pode ser visto na figura a seguir. Este circuito foi obtido no endereço http://www.theremin.us/CircuitLibrary/diodenoise.html . Neste site podem ser obtido detalhes de funcionamento e montagem do mesmo.

Gerador de ruído branco

O ruído gerado pelo diodo zener é amplificado pelo amplificador operacional U3A e depois pelo U3B, sendo gerado um sinal adequado para utilização em testes de amplificadores, filtros e outras aplicações onde seja necessário um sinal de amplitude ajustável e distribuição frequencial constante.

Até a próxima!

Lembrete final

Um lembrete aos nossos leitores que se utilizam do tradutor automático para lerem em seus idiomas:

We realize that automatic translated services nowdays are terrible. Non portuguese speakers can have a hard time to understand parts of the translated text. If this is your case, you can ask us in english about anything in the blog. We will answer also in english.

Nos damos cuenta de que los textos traducidos automáticamente tienen sus limitaciones. Los que no hablan portugues pueden tener dificultades para entender parte del texto traducido. Si este es su caso, no dude en preguntarnos en español sobre cualquier informacion del blog. Responderemos también en español (or portuñol, estoy seguro que podremos llegar a entendernos).:-) ).

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