I Diodi Zener, Grazie alla loro Carateristica, sono Usati per Diverse Applicazioni. Verranno Illustrati Schemi con Diodi Zener per Diverse Funzioni…

 
 
 
 

 

INTRO

Un diodo Zener è un dispositivo passivo a due terminali, come il diodo, l’anodo e il catodo. Esso permette il flusso di corrente dall’anodo al catodo quando polarizzato direttamente, come un normale diodo. In regione inversa il diodo Zener permette anche il flusso di corrente quando la tensione ai suoi capi raggiunge il valore della tensione di Zener del diodo. Questo tipo di diodo ha una giunzione p-n ad alto drogaggio, che permette di avere una tensione inversa di rottura con un ginocchio ben definito, che permette di avere elevati incrementi di corrente con piccoli incrementi della tensione inversa applicata, permettendo, finchè la corrente non supera una certa soglia, di avere una tensione fissa ai suoi capi.

I diodi normali non possono lavorare in regione di breakdown, ma i diodi Zener, se la potenza assorbita è nei limiti, possono lavorare in questa regione. Questi tipi di diodi si basano sull’effetto Zener (tunneling quantistico causato dal campo elettrico elevato) e sull’effetto si rottura a valanga per tensioni di rottura maggiori di 5.6V.

Il simbolo e la caratteristica tensione corrente sono i seguenti:

Come è possibile vedere nell’immagine sovrastante, i diodi Zener hanno lo stesso aspetto dei diodi normali, ma il simbolo è diverso. La caratteristica tensione corrente è simile ai diodi normali ma in zona inversa piccole variazioni di tensione causano brusche variazioni di corrente, cosa può mantenere la tensione ai capi del diodi costante mantenendo circa costante la corrente in esso.

La tensione inversa dipende dal tipo di diodo Zener che si usa e in commercio vi sono di diversa taglia.

Per quanto riguarda il coefficiente di temperatura, l’effetto Zener ha un coefficiente di temperatura negativa, il che vuol dire che diminuisce con la temperatura. L’effetto di rottura a valanga invece è incrementato dall’aumento della temperatura.

Quindi il primo effetto fa diminuire la tensione di Zener con la temperatura e il secondo effetto la fa diminuire per i diodi con tensione minore di 5.6V la tensione decresce con la temperatura, per i diodi con tensione superiore di 5.6V la tensione aumenta con la temperatura. Nei diodi con tensione 5.6V questi due effetti si bilanciano facendo cambiare di poco con la temperatura la tensione di Zener.

In commercio ci sono le seguenti taglie di diodi Zener: 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 e 47V.

 

 

RIFERIMENTO DI TENSIONE CON DIODI ZENER

Grazie alla loro tensione inversa fissata, i diodi Zener possono essere usati come riferimenti di tensione per alimentatori o per comparatori, mentre sono sconsigliati come riferimento per gli ADC visto la variazione del riferimento con la temperatura e la tensione di alimentazione. Lo schema più semplice è composto da una resistenza e da un diodo Zener:

Come detto in precedenza il diodo D1 essendo un diodo Zener ed essendo polarizzato inversamente, ha ai suoi capi una tensione Vz. La corrente di polarizzazione inversa viene fornita dalla tensione di alimentazione Vin ed è regolata in base al valore della resistenza R.

La corrente deve essere adeguata per ottenere la tensione inversa e non deve essere eccessiva per non bruciare il diodo Zener e deve essere calcolata considerando il massimo valore della tensione di ingresso ovvero Vmax.

La corrente massima del diodo IDZmax dipende dalla taglia del diodo, ovvero dalla potenza che riesce a dissipare. I diodi Zener più comuni sono quelli più piccoli con una potenza massima da 0.25W, le altre taglie sono 0.5W, 1W e altri più potenti.

La tensione di riferimento Vref generata dal diodo Zener ha una impedenza d’uscita che dipende dalla resistenza R, il che vuol dire che se si preleva corrente da Vref, questa viene sottratta alla corrente dello Zener e potrebbe creare malfunzionamenti. Questa tensione può essere usata per uno o due LED considerando la corrente dei diodi nell’equazione di R sommandola a 0.1IDZmax la corrente sottratta, oppure può essere usata per comparatori, op-amp o altri componenti che non assorbono elevate correnti.

Se si vogliono assorbire correnti elevate si possono usare dei buffer:

Grazie al buffer formato dall’op-amp U1 è possibile erogare una corrente che dipenderà dal tipo di op-amp utilizzato, senza influenzare la tensione di riferimento.

 

PROTEZIONE DA TENSIONE MASSIMA

Grazie ai diodi Zener è possibile proteggere altri elementi circuitali da sovratensioni.

Ad esempio se si ha un op-amp con una certa tensione massima ed esso riceve un segnale sinusoidale, può essere protetto grazie al seguente schema:

I diodi Zener D1 e D2 sono in contropolarizzazione, ovvero durante la semionda positiva D1 è polarizzato inversamente e D2 è polarizzato direttamente mentre nella semionda negativa succede il contrario. Se polarizzato direttamente un diodo Zener è come un diodo normale, quindi avrà una tensione di 0.7V circa.

In questa configurazione la protezione fornita dai diodi Zener è Vz+0.7V circa, limitando la tensione di ingresso a ±(Vz+0.7V).

 

DIODI ZENER COME PROTEZIONE SERIE

Connettendo un diodo in serie a un generatore di tensione, è possibile ridurre il voltaggio di un valore pari proprio alla tensione di Zener. Consideriamo il seguente circuito:

Se in uscita vi è connesso un carico che assorbe corrente, questa corrente passando nel diodo Zener impone su esso una tensione Vz essendo polarizzato inversamente, ottenendo in uscita una tensione data da Vin-Vz. La corrente massima dipende dalla tensione di Zener e dalla taglia del diodo, ed è data dalla formula IDZmax=Pmax/Vz dove Pmax è l taglia e Vz è la tensione di Zener.

È possibile aumentare la corrente del diodo Zener utilizzando un così detto “super” Zener:

Come è possibile vedere dallo schema, tra collettore e base del transistor vi è una tensione Vz mentre tra base ed emettitore vi è la tensione di base intorno a 0.7V, in totale quindi si ha una tensione fissa di Vz+0.7V. La corrente massima dipende dal tipo di transistor usato. Inoltre se si utilizzano transistor con elevato HFE (detto anche beta, parametro di amplificazione) la corrente di base è molto piccola rispetto alla corrente di collettore (IC = IB*HFE “corrente di collettore = corrente di base per HFE) e quindi il diodo Zener non è correttamente polarizzato, quindi la sua tensione non è Vz ma minore. Bisogna scegliere un transistor con HFE=ICdesiderata/HFE=0.1IDZmax.

Il problema di questa struttura è la variazione della tensione base emettitore con la temperatura, infatti questa va da circa 0.7V a 20 gradi per arrivare a circa 0.5V a 100 gradi, e considerando la corrente che fluisce nel diodo, è facile che il silicio al suo interno raggiunga anche temperature più elevate.

In ogni caso è una buona soluzione per alimentare una carico poco sensibile alle variazioni di voltaggio come LED, motori, circuiti digitali o altri.

 
CARATTERISTICA TENSIONE DI ZENER Vz IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA

La tensione di Zener Vz, come la tensione di polarizzazione diretta, dipende fortemente dalla temperatura.

Nei diodi Zener vi sono due effetti che si bilanciano con la temperatura ma non perfettamente. Prendiamo in considerazione un diodo con tensione di Zener 5.6V nel quale la rottura a valanga e l’effetto Zener bilanciano la variazione in temperatura e un diodo con tensione di Zener da 12V in cui prevale l’effetto a valanga.

Per i diodi Zener con tensione 12V il coefficiente termico è intorno ai 650ppm/°C  ovvero la tensione varia di 8mV ogni grado centigrado, ottenendo ad esempio la seguente caratteristica:

Si può notare che la tensione è intorno i 11.8V a 0 gradi centigradi mentre arriva a 12.8 a 125 gradi centigradi, con una variazione molto grande all’aumentare della temperatura.

Per i diodi Zener con tensione 5.6V il coefficiente termico è minore o intorno i 50ppm/°C il che significa che la tensione varia di 0.288mV ogni grado centigrado, ottenendo la seguente caratteristica:

In conclusione quindi, se si vuole una maggiore precisione nel riferimento bisogna usare il diodo Zener da 5.6V (che teoricamente ha un valore di temperature coefficiency 0) oppure valori molto vicini ad esso, visto che all’interno, il diodo Zener potrebbe avere elevate escursioni termiche che potrebbero portare problemi al resto del circuito vista la variazione di tensione.

 
LINE SENSITIVITY

Per line sensitivity, si intende una variazione della tensione o grandezza di uscita  dei sistemi come alimentatori, dc/dc, stabilizzatori, amplificatori o voltage reference.

In questo caso questo parametro può essere usato per descrivere il comportamento del diodo Zener quando usato come riferimento di tensione.

Come detto in precedenza, facendo riferimento al circuito sovrastante, la resistenza R si dimensione in base alla tensione massima Vin, ma Vin potrebbe anche assumere valori molto più piccoli rispetto Vmax.

Se questo accade, la corrente che circola nel diodo sarà minore rispetto al caso in cui la Vin assume il valore di Vmax, e considerando la caratteristica tensione-corrente del diodo (funzione in blu) è possibile vedere che una variazione di corrente  tra Izmin e Izmax crea una variazione di tensione ai capi dello Zener.

Considerando la funzione in viola, ovvero il comportamento ideale del diodo Zener, si può vedere il discostamento tra la funzione reale e ideale e comprendere la variazione.

Supponiamo di avere un diodo Zener da 4.7V e una tensione massima Vin da 20V. Supponiamo di usare un diodo Zener da 0.5W di taglia, quindi il valore della corrente massima sarà IDZmax=(0.5/4.7)=0.1A quindi il valore della resistenza R sarà R=(20-4.7)/(0.1*0.1)=1530ohm. Questo valore non è commerciale quindi si usa il valore 1500ohm.

Supponiamo di avere una temperatura fissa e che la Vin può variare da Vmax=20V fino ad un minimo di 10V. Simulando questa situazione, la tensione di riferimento , variando la Vin varia nel seguente modo:

È possibile vedere che se Vin=10V il riferimento è 4.644V mentre se Vin=20V si avranno 4.698V di riferimento con una differenza di 54mV, un valore non eccessivo ma che produce una variazione di 1.15mV/V. Da una prova pratica, utilizzando un diodo da 4.7V con potenza 0.25W, R=3300ohm e una alimentazione con due valori estremi 10V e 20V si è ottenuto il seguente risultato:

Per ridurre al minimo questa variazione, si potrebbe pensare di utilizzare un diodo Zener con tensione più elevata, leggermente minore del minimo valore di Vin e un buffer che alimenta il diodo Zener che si vuole usare come riferimento, in modo tale da minimizzare le variazioni. In questo caso andrebbe usato un diodo Zener da 9.1V e un buffer.

 

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