Electronică – Dioda Zener
Dioda Zener este un dispozitiv semiconductor cu joncțiune pn din siliciu care funcționează în regiunea de străpungere inversă.
Simbol :
Caracteristicile diodei zener.
În condiția de polarizare directă dioda zener se comportă exact ca o diodă redresoare.
În graficul de mai jos vedeți regiunile de funcționare normală a unei diode redresoare și a unei diode zener :
Când aplicăm o tensiune inversă pe o diodă Zener, curentul ce circulă prin ea este foarte mic, de ordinul \( \mu \)A numit și curentul invers de scurgere notat cu \( I_{0} \), iar dacă această tensiune inversă crește până la o valoare mai mare decât valoarea tensiunii de străpungere inversă din catalog, curentul ce circulă prin diodă va crește brusc iar tensiunea inversă de străpungere va rămâne aproape constantă la bornele diodei.
În figura următoare veți vedea comportamentul diodei zener când se aplică o tensiune inversă ( polarizare inversă ).
, unde :
- \( V_{Z} \) = tensiunea de străpungere ( dată de catalog ) ;
- \( I_{ZK} \) sau \( I_{Zmin} \) = curentul minim
- \( V_{R} \) = tensiunea inversă
Tot din graficul de mai sus observăm condițiile ca dioda zener să păstreze constantă tensiunea de la bornele ei, adică să aibă rolul de stabilizare a tensinii.
Cu alte cuvinte : ca o diodă zener să funcționeze ca stabilizator de tensiune trebuie să îi asigurăm un curent invers minim \( I_{Zk} \). Dacă curentul invers scade sub zona de curbură, tensiunea descrește rapit iar dioda nu mai funcționează ca stabilizator. acest curent invers, \( I_{ZT} \), corespunde unei valori a tensiunii nominale de stabilizare , \( V_{ZT} \) ( tensiunea nominală zener și o găsim in foaia de catalog a diodei zener ).
Circuitul echivalent al diodei zener.
În figura de mai jos este prezentat modelul ideal al diodei zener.
După cum se vede modelul ideal include o cădere de tensiune constantă, egală cu tensiunea nominală de stabilizare. această cădere de tensiune este asimilată cu sursă activă care arată doar că : în regim de străpungere inversă la bornele diodei zener se menține o tensiune constantă.
În următoarea figură este prezentat modelul real al diodei zener :
După cum se vede în figură, dioda zener are o rezistență dinamică internă notată cu \( Z_{Z} \).
Graficul tensiunii nu coboară perfect vertical însemnând că o variație a curentului zener , \( \Delta I_{Z} \), are ca efect o variație mică a tensiunii de stabilizare, \( \Delta V_{Z} \), ca în graficul următor :
Din acest grafic obținem formula rezistenței dinamice :
\( Z_{Z} = \frac {\Delta V_{Z}}{\Delta I_{Z}} = \frac{1}{\frac{\Delta I_{Z}}{\Delta V_{Z}}} \) , observăm folosirea legii lui Ohm.
În general valoarea lui \( Z_{Z} \) corespunde curentului \( I_{ZT} \) – curentul de control al tensiunii de stabilizare și notată cu \( Z_{ZT} \), dar în majoritatea cazurilor putem considera \( Z_{Z} \) constantă și pur rezistivă în domeniul de liniaritate a curentului zener.
Efectul Temperaturii asupra diodei zener.
Tensiunea de stabilizare \( V_{Z} \) variază cu temperatura. Variația procentuală a tensiunii de stabilizare \( V_{Z} \) pentru o variație cu un grad celsius ( \( ^{\circ} C \) ) a temperaturii poartă denumirea de coeficient de temperatură a diodei zener. Este notată cu TC sau CT și se exprimă în % / \( ^{\circ} C \).
Matematic , coeficientul de temperatură ( TC sau CT ) poate fi definit ca :
\( TC = \frac{\Delta V_{Z}}{V_{Z} \star (\, T_{1}-T{0} )\,} \star [\,100 ]\, % / ^{\circ} C \), unde:
- \( T_{1} \) = temperatura finala a joncțiune
- \( T_{0} \) = [n general 25 \( ^{\circ} \)C la care este specificata tensiunea de stabilizare \( V_{Z} \).
- \( \Delta V_{Z} \) = rezultatul variației tensiunii de stabilizare in funcție de variația temperaturii.
Coeficientul de temperatură poate fi : pozitiv sau negativ.
Coeficient de temperatură pozitiv = tensiunea de stabilizare , \( V_{Z} \), crește odată cu creșterea temperaturii și scade la scăderea temperaturii.
Coeficient de temperatură negativ = tensiunea de stabilizare, \( V_{Z} \), scade la creșterea temperaturii și crește la scăderea temperaturii.
\( \Delta V_{Z}= \frac{V_{Z} \star TC \star (\, T_{1}-T{0} )\,}{100} = \frac{V_{Z} \star TC \star \Delta T}{100} \)
Coeficientul de temperatură poate fi exprimat, uneori, în mV / \( ^{\circ} C \) caz în care :
\( \Delta V_{Z} = TC \star (\, T_{1} – T{0} )\, = TC \star \Delta T \) .
OBS!!!!!! Pentru diodele zener cu tensiunea de stabilizare, \( V_{Z} \), mai mică de 6V, coeficientrul de temperatură este negativ ( \( V_{Z} \) scade la creșterea temperaturii ) iar pentru diodele zener cu \( V_{Z} \) >6V coeficientul de temperatură este pozitiv ( \( V_{Z} \) crește la creșterea temperaturii ).
Puterea disipată pe dioda zener și corectarea ei în funcție de temperatură.
Fiecare diodă zener are capacitatea de a disipa o anumită putere. Această capacitate este exprimată ca puterea de curent continuu ( DC sau CC ) disipată maximă, \( P_{D(max)} \) la o anumită temperatură. De exemplu, dioda zener 1N961 are \( P_{D(max)} \) = 320mW în timp ce 1N3305A are \( P_{D(max)} \) = 50W. Această putere de C.C. se calculează astfel :
\( P_{D} = V_{Z} \star I_{Z} \).
Puterea de C.C. disipată maximă se calculează astfel :
\( P_{D(max)} = V_{Z} \star I_{ZM} \), unde \( I_{ZM} \) = curentul maxim.
Puterea disipată maximă pe o diodă zener este dată de catalog pentru o gamă de temperaturi limitată superior de o anumită valoare. Dacă dioda funcționează la temperaturi superioare acestei valori, puterea maximă disipată luată în calcul trebuie corectată cu un anumit coeficient :
\( P_{D(corectată)} = P_{D(max)} – (\,mW / ^{\circ} C )\, \star \Delta T \), unde mW / \( ^{\circ} C\) = coeficient de corectare ( derating factor ).
Exemplu : O diodă zener are \( P_{D(max)} \) = 320mW la 50\( ^{\circ} C\) cu un factor de corectare (derating factor ) = 2,3mw/\( ^{\circ} C\). Calculați puterea maximă corectată dacă dioda zener va funcționa la o temperatură de 100 \( ^{\circ} C \).
\( P_{D} =320mW \) la 50 \( ^{\circ} C\)
\( P_{D(corectată)} = P_{D(max)} – mW \) / \( ^{\circ} C \star \Delta T\) = 320mW – 2,3 (100 – 50 ) = 205mW.
Puterea maximă disipată la temperatura de 100\( ^{\circ} C \) este de 205mW.
Interpretarea datelor de catalog pentru diode zener.
Datele de catalog diferă de la diodă la alta. Informațiile din foaia de catalog pot fi numeroase pentru unele tipuri de diode în comparație cu alte tipuri de diode zener. Indiferent de tipul diodei zener găsim două tipuri de informații în foaia de catalog :
- informații electrice sau caracteristici electrice
- informații grafice sau caracteristici grafice.
Informații Electrice.
Acestea includ informații despre curenți și tensiuni caracteristice funcționării diodei zener și anume :
- tensiunea de stabilizare ( Tensiunea zener ) \( V_{Z} \), dată pentru valoarea \( I_{ZT} \) a curentului de control. Această valoare, \( V_{Z} \), variază în funcție de toleranță.
- curentul de control a tensiunii de stabilizare, \( I_{ZT} \), dată în mA.
- Impedanța zener, \( Z_{ZT} \) dată în Ohm. Valoarea lui \( Z_{ZT} \) nu se obține aplicând raportul \( V_{Z} \) / \( I_{ZT} \), acestea fiind valori în regim de C. C., de aceea în foaia decatalog vom găsi \( Z_{Zk} \) = impedanța corespunzătoare curentului minim \( I_{Zk} \) din zona de curbură.
- Curentul rezidual invers = curentul care circulă prin dioda zener la polarizarea inversă.
- Curentul zener maxim, \( I_{ZM} \), în unele foi de catalog. Valoarea \( I_{ZM} \) depinde de limita de putere, tensiunea de stabilizare la \( I_{ZM} \) și de toleranța acesteia. Dacă în foaia de catalog nu apare \( I_{ZM} \), aceasta se poate calcula cu aproximație astfel : \( I_{ZM} = \frac{P_{D(max)}}{V_{Z}} \)
- puterea de C. C. disipată la o anumită temperatură, \( P_{D} \)
- coeficient de corecție ( derating factor )
Informații grafice.
În foaia de catalog găsim ți informații grafice reprezentând relațiile dintre diferiți parametri a diodei zener, și anume :
- curba puterii maxime, ne ajută să calculăm sau să corectăm puterea maximă disipată în funcție de temperatură.
- curba coeficientului de temperatură
- curba impedanței Zener
Exemplu de foaie de catalog: dioda Zener BZX85
Lasă un răspuns