Circuits de díodes de Zener, característiques, càlculs

Els díodes Zener, que porten el nom del seu inventor Dr. Carl Zener, s’utilitzen fonamentalment en circuits electrònics per generar referències de voltatge precises. Es tracta de dispositius capaços de crear una tensió pràcticament constant a través d’ells, independentment de les variacions del circuit i de les situacions de tensió.

Externament, és possible que trobeu díodes zener molt similars als díodes estàndard com el 1N4148. Els díodes Zener també funcionen rectificant el corrent altern en corrent continu com les seves alternatives tradicionals. No obstant això, al contrari que els díodes rectificadors estàndard, els díodes zener es configuren amb el seu càtode connectat directament amb el positiu del subministrament i l’ànode amb el subministrament negatiu.

Característiques

En la seva configuració estàndard, els díodes Zener presenten una alta resistència per sota d’un voltatge particular, crític (conegut com el voltatge de Zerier). Quan es supera aquesta tensió crítica específica, la resistència activa del díode Zener cau a un nivell extremadament baix.

I amb aquest valor de resistència baix, es manté un voltatge constant efectiu a través dels Zeners, i es pot esperar que aquest voltatge constant es mantingui independentment de qualsevol canvi en el corrent font.

En paraules simples, sempre que el subministrament a través del díode zener supera el valor zener nominal, el díode zener condueix i fonamenta l'excés de tensió. A causa d'això, la tensió cau per sota de la tensió zener que apaga el zener i l'alimentació torna a intentar superar la tensió zener, tornant a engegar el zener. Aquest cicle es repeteix ràpidament, cosa que resulta en estabilitzar la sortida a un valor de voltatge zener constantment.

Aquesta característica es ressalta gràficament a la figura següent, que indica que per sobre de la 'tensió Zener' la tensió inversa continua sent gairebé constant, fins i tot amb variacions de corrent invers. Com a resultat, els díodes Zener s'utilitzen sovint per obtenir una caiguda de tensió constant, o tensió de referència, amb la seva resistència interna.

Els díodes Zener estan dissenyats en moltes potències nominals i amb tensions que oscil·len entre 2,7 i 200 volts. (No obstant això, sobretot, els díodes Zener amb valors molt superiors a 30 volts gairebé no s’utilitzen mai).

Funcionament del circuit bàsic de díodes Zener

A la imatge següent es pot veure un circuit regulador de voltatge estàndard, que utilitza una sola resistència i un díode Zener. Aquí, suposem que el valor del díode Zener és de 4,7 V i la tensió d’alimentació V in és de 8,0 V.

El funcionament bàsic d'un díode zener es pot explicar amb els punts següents:

En absència de càrrega a la sortida del díode zener, es pot veure una caiguda de 4,7 volts pel diode Zener mentre es desenvolupa un tall de 2,4 volts a través de la resistència R.

Ara, en cas que s’alteri la tensió d’entrada, imaginem, de 8,0 a 9,0 V, provocarà que la caiguda de tensió a través del Zener mantingui el 4,7 V.

Tanmateix, la caiguda de tensió a través de la resistència R es va poder veure elevada, de 2,4 V a 3,4 V.

Es pot esperar que la caiguda de tensió en un Zener ideal sigui força constant. Pràcticament, és possible que el voltatge a través del zener augmenti lleugerament a causa de la resistència dinàmica del Zener.

El procediment mitjançant el qual es calcula el canvi de tensió de Zener és multiplicant la resistència dinàmica zener amb el canvi de corrent de Zener.

La resistència R1, en el disseny bàsic del regulador anterior, simbolitza la càrrega preferida que es pot connectar amb el zener. R1 en aquesta connexió atraurà certa quantitat de corrent que es movia a través del Zener.

Com que el corrent en Rs serà superior al corrent que entra a la càrrega, una quantitat de corrent continuarà passant pel Zener permetent una tensió perfectament constant a través del Zener i la càrrega.

La resistència de sèrie Rs indicada s'ha de determinar de manera que el corrent més baix que entra al Zener sigui sempre superior al nivell mínim especificat per a una regulació estable des del zener. Aquest nivell comença just sota el 'genoll' de la corba de tensió inversa / corrent invers, tal com s'ha après del diagrama gràfic anterior.

Cal assegurar-se, a més, que la selecció de Rs garanteix que el corrent que passa pel díode Zener mai no superi la seva potència nominal, que pot ser equivalent a la tensió Zener x corrent Zener. És la major quantitat de corrent que pot passar pel díode Zener en absència de la càrrega R1.

Com es calculen els díodes Zener

Dissenyar un circuit zener bàsic és realment senzill i es pot implementar mitjançant les instruccions següents:

1. Determineu el corrent de càrrega màxima i mínima (Li), per exemple, 10 mA i 0 mA.
2. Determineu la tensió d'alimentació màxima que es pot desenvolupar, per exemple, un nivell de 12 V, assegurant-vos també que la tensió d'alimentació mínima sempre és = 1,5 V + Vz (la tensió nominal zener).
3. Tal com s’indica al disseny bàsic del regulador, la tensió de sortida requerida que és la tensió Zener equivalent Vz = 4,7 volts i la tensió seleccionada el corrent més baix de Zener és de 100 microamps . Això implica que el corrent màxim previst de Zener aquí és de 100 microamps més 10 miliamperis, que és de 10,1 miliamperis.
4. La resistència de sèrie Rs ha de permetre la quantitat mínima de corrent de 10,1 mA fins i tot quan el subministrament d'entrada sigui el nivell especificat més baix, que és 1,5 V superior al valor zener seleccionat Vz, i es pot calcular utilitzant la llei d'Ohms com: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 ohms. El valor estàndard més proper sembla ser de 150 ohms, de manera que els Rs poden ser de 150 ohms.
5. Si la tensió d'alimentació augmenta a 12 V, la caiguda de tensió a través de Rs serà Iz x Rs, on Iz = corrent a través del zener. Per tant, aplicant la llei d’Ohm obtenim Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. L’anterior és el corrent màxim que es permetrà passar pel díode zener. En altres paraules, el corrent màxim que pot fluir durant la càrrega màxima de sortida o la màxima entrada de tensió d’alimentació especificada. En aquestes condicions, el díode zener dissiparà una potència d'Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. El valor de potència estàndard més proper per complir-ho és de 400 mW.

Efecte de la temperatura sobre els díodes Zener

Juntament amb els paràmetres de tensió i càrrega, els díodes Zener també són força resistents a les variacions de temperatura al seu voltant. Tanmateix, per sobre d’una certa mesura, la temperatura pot afectar el dispositiu tal com s’indica al gràfic següent:

Mostra la corba del coeficient de temperatura del díode zener. Tot i que a tensions més altes, la corba de coeficient respon al voltant del 0,1% per grau Celsius, es mou a zero a 5 V i després es torna negativa per als nivells de tensió més baixos. Finalment, arriba al -0,04% per grau centígrad al voltant de 3,5 V.

Utilitzant el díode Zener com a sensor de temperatura

Un bon ús de la sensibilitat del díode Zener al canvi de temperatura és aplicar el dispositiu com a dispositiu sensor de temperatura, tal com es mostra al següent diagrama.

El diagrama mostra una xarxa pont construïda mitjançant un parell de resistències i un parell de díodes Zener amb característiques idèntiques. Un dels díodes zener funciona com un generador de voltatge de referència, mentre que l’altre díode zener s’utilitza per detectar els canvis en els nivells de temperatura.

Un Zener estàndard de 10 V pot tenir un coeficient de temperatura de + 0,07% / ° C que pot correspondre a una variació de temperatura de 7 mV / ° C. Això crearà un desequilibri d’uns 7 mV entre els dos braços del pont per a cada variació de temperatura de grau Celsius. Es pot utilitzar un mesurador FSD complet de 50 mV a la posició indicada per mostrar les lectures de temperatura corresponents.

Personalització del valor del díode Zener

Per a algunes aplicacions de circuits pot ser necessari tenir un valor zener precís que pot ser un valor no estàndard o un valor no fàcilment disponible.

Per a aquests casos, es pot crear una matriu de díodes zener que es poden utilitzar per obtenir un valor de díode zener personalitzat desitjat, com es mostra a continuació:

En aquest exemple, es podrien adquirir molts valors zener no estàndard personalitzats a través dels diversos terminals, tal com es descriu a la llista següent:

Podeu utilitzar altres valors a les posicions indicades per obtenir molts altres conjunts personalitzats de sortida de díodes zener

Diodos Zener amb subministrament de corrent altern

Els díodes Zeners s’utilitzen normalment amb subministraments de corrent continu, però aquests dispositius també es poden dissenyar per funcionar amb subministraments de corrent altern. Algunes aplicacions de CA dels díodes zener inclouen àudio, circuits de RF i altres formes de sistemes de control de CA.

Com es mostra a l'exemple següent quan s'utilitza un subministrament de CA amb un díode zener, el zener es conduirà instantàniament tan aviat com el senyal de CA passi de zero cap a la meitat negativa del seu cicle. Com que, el senyal és negatiu, per tant, el corrent altern es reduirà a través del ànode al càtode del zener, fent que aparegui 0 V la sortida.

Quan el subministrament de CA es mou a través de la meitat positiva del cicle, el zener no condueix fins que el CA puja fins al nivell de tensió zener. Quan el senyal de corrent altern creua el voltatge zener, el zener condueix i estabilitza la sortida a un nivell de 4,7 V, fins que el cicle de corrent altern cau a zero.

Recordeu, mentre utilitzeu Zener amb una entrada de corrent altern, assegureu-vos que Rs es calcula segons la tensió màxima de corrent altern.

A l'exemple anterior, la sortida no és simètrica, sinó una pulsació de 4,7 V CC. Per tal d'obtenir una CA de 4,7 V simètric a la sortida, es podrien connectar dos zeners esquena amb esquena tal com es mostra al diagrama següent

Supressió del soroll del díode Zener

Tot i que els díodes zener proporcionen una manera ràpida i senzilla de crear sortides de tensió fixa estabilitzades, té un inconvenient que pot afectar circuits d’àudio sensibles com ara amplificadors de potència.

Els díodes Zener generen soroll mentre funcionen a causa del seu efecte d’allau d’unió durant el canvi, que oscil·la entre 10 uV i 1 mV. Això es pot suprimir afegint un condensador en paral·lel al díode zener, com es mostra a continuació:

El valor del condensador pot estar entre 0,01uF i 0,1uF, cosa que permetrà suprimir el soroll en un factor de 10 i mantindrà la millor estabilització de tensió possible.

El gràfic següent mostra l’efecte del condensador per reduir el soroll del díode zener.

Utilització de Zener per al filtratge de la tensió Ripple

Els díodes Zener també es poden aplicar com a filtres eficaços de voltatge, igual que s’utilitzen per a l’estabilització de tensió de corrent altern.

A causa de la seva impedància dinàmica extremadament baixa, els díodes zener poden funcionar com el filtre ondulant de la mateixa manera que ho fan els condensadors del filtre.

Es pot obtenir un filtratge d’ondulacions molt impressionant connectant un díode Zener a través de la càrrega, amb qualsevol font de CC. En aquest cas, el voltatge ha de ser el mateix que el nivell de l’abast de l’ondulació.

En la majoria de les aplicacions de circuits, això pot funcionar tan eficaçment com un condensador de suavització típic amb una capacitat de diversos milers de microfarades, el que resulta en una reducció significativa del nivell de tensió d'ondulació superposat a la sortida de CC.

Com augmentar la capacitat de manipulació de potència del díode Zener

Una manera senzilla d’augmentar la capacitat de gestió de potència del díode zener és probablement simplement connectar-los en paral·lel, tal com es mostra a continuació:

Tanmateix, pràcticament això pot no ser tan senzill com sembla i pot no funcionar com es volia. Això es deu al fet que, igual que qualsevol altre dispositiu semiconductor, els zeners tampoc mai tenen característiques exactament idèntiques, per tant, un dels zeners pot conduir abans que l’altre dibuixant tot el corrent a través d’ell mateix, i finalment es destrueixi.

Una manera ràpida de contrarestar aquest problema pot ser afegir resistors de sèrie de valors baixos amb cada díode zener, tal com es mostra a continuació, que permetrà que cada díode zener comparteixi el corrent de manera uniforme mitjançant caigudes de tensió compensadores generades per les resistències R1 i R2:

Tot i que, la capacitat de maneig de potència es pot augmentar connectant els díodes Zener en paral·lel, un enfocament molt millorat pot ser afegir un derivat BJT juntament amb un díode zener configurat com a font de referència. Consulteu el següent esquema d’exemple per al mateix.

L’addició d’un transistor de derivació no només augmenta la capacitat de maneig de la potència zener en un factor de 10, sinó que millora encara més el nivell de regulació del voltatge de la sortida, que pot ser tan alt com el guany de corrent especificat del transistor.

Aquest tipus de regulador zener de transistor de derivació es pot utilitzar amb finalitats experimentals perquè el circuit compta amb una instal·lació 100% a prova de curtcircuit. Dit això, el disseny és força ineficient perquè el transistor pot dissipar una quantitat important de corrent en absència de càrrega.

Per obtenir resultats encara millors, a transistor de passada de sèrie el tipus de regulador que es mostra a continuació sembla una opció millor i preferible.

En aquest circuit el díode Zener crea una tensió de referència per al transistor de pas de sèrie, que, essencialment, funciona com un seguidor de l'emissor . Com a resultat, la tensió de l'emissor es manté entre unes dècimes de volt de la tensió de base del transistor tal com la va crear el díode Zener. En conseqüència, el transistor funciona com un component de sèrie i permet un control eficaç de les variacions de tensió d'alimentació.

Ara tot el corrent de càrrega funciona mitjançant aquest transistor de la sèrie. La capacitat de maneig d’aquest tipus de configuració s’estableix totalment pel valor i l’especificació dels transistors, i també depèn de l’eficiència i la qualitat del dissipador de calor utilitzat.

Es podria aconseguir una regulació excel·lent a partir del disseny anterior mitjançant una resistència de la sèrie 1k. La regulació es podria augmentar amb un factor de 10 substituint el zener normal per un díode zener especial de baixa dinàmica, com ara un 1N1589).

En cas que vulgueu que el circuit anterior proporcioni una sortida regulada de voltatge variable, es podria aconseguir fàcilment utilitzant un potenciòmetre de 1 K a través del díode Zener. Això permet ajustar un voltatge de referència variable a la base del transistor de la sèrie.

No obstant això, aquesta modificació pot resultar en una eficiència de regulació menor a causa d'algun efecte de derivació creat pel potenciòmetre.

Circuit de díode Zener de corrent constant

Es pot dissenyar un subministrament de corrent constant regulat per Zener mitjançant un sol transistor com a resistència de sèrie variable. La figura següent mostra el diagrama bàsic del circuit.

Aquí podeu veure un parell de passatges de circuits, un a través del díode zener connectat en sèrie amb la resistència de polarització, mentre que l’altre camí és a través de les resistències R1, R2 i el transistor de sèrie.

En cas que el corrent es desviï del seu rang original, crea un canvi proporcional en el nivell de polarització de R3, que al seu torn fa que la resistència del transistor de sèrie augmenti o disminueixi proporcionalment.

Aquest ajust de la resistència del transistor resulta en una correcció automàtica del corrent de sortida al nivell desitjat. La precisió del control de corrent en aquest disseny rondarà el +/- 10% en resposta a unes condicions de sortida que poden oscil·lar entre un curtcircuit i una càrrega de fins a 400 Ohm.

Circuit de commutació de relés seqüencial mitjançant díode Zener

Si teniu una aplicació en què cal que es commuteu un conjunt de relés seqüencialment un darrere l’altre en l’interruptor d’alimentació en lloc d’activar-los tots junts, el següent disseny pot resultar molt útil.

Aquí, els díodes zener que s’incrementen de manera seqüencial s’instal·len en sèrie amb un grup de relés juntament amb resistències de sèrie individuals de baix valor. Quan s’encén l’alimentació, els díodes zener es condueixen un darrere l’altre en ordre creixent dels seus valors zener. Això provoca que el relé s’encengui en seqüència tal com desitgi l’aplicació. Els valors de les resistències poden ser de 10 ohms o 20 ohms en funció del valor de resistència de la bobina del relé.

Circuit de díodes Zener per a protecció contra sobretensió

A causa de la seva característica sensible al voltatge, és possible combinar els díodes Zener amb la característica sensible al corrent dels fusibles per protegir els components crucials del circuit de sobretensions i, a més, eliminar la molèstia del fusible que bufi amb freqüència, cosa que pot ocórrer especialment quan es classifiquen els fusibles. està molt a prop de les especificacions de corrent de funcionament del circuit.

En unir un díode Zener correctament classificat a tota la càrrega, es pot emprar un fusible que estigui adequadament classificat per manejar el corrent de càrrega previst durant períodes prolongats. En aquesta situació, suposem que el voltatge d’entrada augmenta en una mesura que supera el voltatge de ruptura de Zener, obligant el díode Zener a conduir-se. Això provocarà un augment sobtat del corrent que bufa el fusible gairebé instantàniament.

L’avantatge d’aquest circuit és que evita que el fusible bufi amb freqüència i de forma imprevisible a causa del seu valor de fusió proper al corrent de càrrega. En el seu lloc, el fusible només bufa quan el voltatge i el corrent realment augmenten més enllà d’un nivell insegur especificat.

Circuit de protecció contra baixa tensió mitjançant díode Zener

Un relé i un díode zener adequadament seleccionats són suficients per crear un circuit de protecció precís de baixa tensió o de baixa tensió per a qualsevol aplicació desitjada. El diagrama del circuit es presenta a continuació:

El funcionament és realment molt senzill, el subministrament de Vin que s'adquireix d'una xarxa de ponts de transformadors varia proporcionalment en funció de les variacions d'entrada d'AC. Això implica, si suposem que els 220 V corresponen a 12 V del transformador, llavors 180 V haurien de correspondre a 9,81 V i així successivament. Per tant, si se suposa que el llindar de tall de baixa tensió és de 180 V, si seleccioneu el díode zener com a dispositiu de 10 V, es tallarà l'operació del relé sempre que l'entrada d'entrada caigui per sota de 180 V.