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Eletrônica Diodo 02 CIN-UPPE

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EletrônicaDiodo 02

CIN-UPPE

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Diodo zener Diodo Zener é um tipo especial de diodo, que por construção,

intencionalmente, opera na região de ruptura.

Este tipo de diodo, também chamado diodo de ruptura, é o elemento principal dos reguladores de tensão. Ou seja, é utilizado para garantir tensão constante independente da corrente requisitada pela carga do circuito.

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Características elétricas Os diodos zener podem ser encontrados numa vasta variedade de

tensões de operação, as quais estão associadas as tensões de ruptura.

Assim como todos os diodos, os diodos zener também apresentam uma resistência interna nas regiões pn. Esta resistência pode provocar uma queda de tensão, além da tensão de ruptura.

Comercialmente, podemos encontrar diodos zener, como reguladores de tensão, na faixa de 1,8 a 200 V.

Quando polarizado diretamente o diodo zener opera como um diodo retificador normal.

Fonte de tensão não regulada

R Resistor limitador de corrente

Diodo zener

cargaRL

Circuito típico

VZ

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Diodo zener - operação

Deve existir sempre um resistor para limitar a corrente na tensão de

ruptura do diodo zener, caso contrário, assim como os diodos normais

o zener queimaria por excesso de potência.

Fonte de tensão não regulada

RSResistor limitador de corrente

Diodo zener

IZ

VZ

IS=IZ = (Vs –Vz)/ Rs

VS

Potência dissipada no zener PZ = Rz.Iz2

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Diodo zener

Suponha o circuito abaixo com um zener para 10V. Quais as corrente

máxima e mínima do zener?

Diodo zener ideal Diodo zener real

20 a 40 V

820 Ω

10

a) Corrente mínima

b) Corrente máxima

IS= 10/820 A = 12,2 mA

IS= 30/820 A = 36,6 mAIS

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Zener com carga O diodo zener deve ser capaz de manter a tensão constante mesmo

com oscilações na tensão da fonte ou mudança na resistência da carga.

Fonte de tensão não regulada cargaRL

RS

VZ

Diodo zener Para se garantir que o zener está operando na região adequada de

tensão, calculamos a tensão Thevenin retirando o zener do circuito.

VTH = RL . Vs

Rs +RL

Agora, retirando a carga, a corrente do resistor que limita a corrente de ruptura é dado por:

IS = VS - VZ

Rs

VS

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Ondulação no Resistor de carga

Embora haja, em geral, ondulações nas fontes de alimentação, o diodo

tende a eliminar estas ondulações. Esta ondulações, mesmo se

considerarmos um modelo de zener com resistência interna é muito

pequena.

Se considerarmos que existe uma certa tensão de ondulação Vr, o

novo valor de saída de tensão de ondulação seria dada por:

Vr(saída) = Rz . Vr(ent)

Rs +Rz

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Retas de carga/regulagem zener

Fonte de tensão não regulada

RS

Diodo zener

IZ

VZ

VS

Para = 1KΩ

Vs = 20 V

Iz = (Vs-Vz)/Rs = (20-Vz)/1000

-30 mA

-30

Curva 2

Traçar a curva 2;

Vz = 0 => Iz = 30mA

Iz = 0 => Vz = -30V

Para = 1KΩ

Vs = 30 V

Iz = (Vs-Vz)/Rs = (30-Vz)/1000

Mesmo que a tensão na fonte varie de 20 para 30V, a tensão zener é ainda

Aproximadamente igual a 12V.

-20 mA

-20

Traçar a curva 1;

Vz = 0 => Iz = 20mA

Iz = 0 => Vz = -20V

Curva 1

Suponha Vz = 12 V

=12

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Variação da tensão zener A variação da tensão zener é diretamente proporcional a variação da

corrente no zener e a resistência Zener. Como a resistência do diodo zener é pequena está variação de tensão zener também é pequena.

∆Vz = ∆Iz.Rz

Exemplo:

Se Vz = 10V e Rz = 8,5 Ω, qual será a tensão adicional quando houver um

acréscimo de corrente de 20 mA?

∆Vz = ∆Iz.Rz => ∆Vz = (20mA).(8,5 Ω) => ∆Vz = 0,17 V

A nova tensão zener é de 10,17 V em vez de 10V.

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Ondulação de tensão zener Qual no valor da redução na ondulação da onda de saída, com a colocação de

um diodo zener?

Tensão de

ondulação

Tensão de

ondulação

Retificação

com filtro

capacitivo

+

-

Rz

Rs

Rl

+

Vs

-

Is

No início da descarga do

capacitor, a corrente no resistor

em série Ismax= (Vsmax-Vz)/Rs

No final da descarga

Ismin= (Vsmin-Vz)/Rs

A variação de corrente

Ismax- Ismin =(Vsmax-Vsmin)/Rs = ∆Vs/Rs, ou seja:

∆Vs = ∆Is.Rs (Ondulação pico-a-pico na entrada)

Ondulação pico-a-pico no zener é dado por ∆Vz = ∆Iz.Rz (saída)

Relação entre tensão saída/entrada

∆Vz = ∆Iz.Rz

∆Vs ∆Is.Rs

Vz

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Ondulação de tensão zener

Considerando uma carga constante (Rl)as variação de corrente no

zener é a mesma que no resistor em série, assim:

∆Vz = Rz

∆Vs Rs

Assim, sabendo-se o valor do resistor do zener e Rs

é possível se estimar a ondulação da tensão de saída

sabendo- se a ondulação na entrada.

Exemplo: Rz = 7 Ω e Rs = 700 Ω, a ondulação na saída seria 1/100 da

ondulação na entrada∆Vz = (1/100). ∆Vs

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Pronto de saída do regulador zener

Para um regulador zener manter a tensão constante, o diodo zener deve permanecer na região de ruptura em qualquer condição de operação.

Retificação

com filtro

capacitivo

+

-

Rz

Rs

Rl

+

Vs

-

Is Diodo zener

O pior caso ocorre quando a corrente fornecida pela fonte é mínima e a corrente de carga é alta.

Ismin=(Vsmin-Vz)/Rs => Rs = (Vsmin-Vz)/Ismin

Como Iz = Is-IL , ou seja, no pior caso Izmin = Ismin-Ilmax

No ponto crítico Ismin= Ilmax resultando Iz =0, ou seja, sem regulação.

Para garantir a regulação devemos ter uma resistência série sempre menor que:

Rsmax= (Vsmin-Vz)/ ILmax

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Coeficiente de temperatura O aumento da temperatura ambiente em torno do componente pode

fazer com que haja uma pequena alteração na tensão de regulagem

do zener.

∆V = θVZTJ

θVZ é o coeficiente de temperatura do diodo (ver figura).

TJ temperatura da junção – Valor máximo permitido para a temperatura

da junção PN do diodo.

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Coeficiente de temperatura Todo dispositivo zener possui um coeficiente de temperatura, fornecido

pelo fabricante, que é a variação em porcentagem por grau Celsius.

Em geral para tensão de regulagem abaixo de 5V este coeficiente é negativo. Para diodos zener acima de 6V este valor é positivo.

Temperatura da junção

TJ = TL + ∆TJL

Onde:

TL = temperatura no borne do diodo.

TL = θLAPD + TA

−−−− θLA é a resistência térmica ambiente do borne do zener (°C/W)

– PD is a dissipação de potência no zener.

– TA A temperatura ambiente

θLA varia de acordo com a montagem do dispositivo no circuito zener(placa de circuito impresso, etc.). Seu valor fica em torno de 30 to 40°C/W.

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∆TJL é o aumento na temperatura da junção sobre o borne(ligação) do zener.

∆TJL = θJLPD

No pior caso, usando a corrente máxima esperada de IZ , podemos estimar os limites PD (a quantidade máxima de potência (em watts) permitida na dissipação do diodo) e os extremos de TJ(∆TJ).

θJL representa a resistência térmica entre o borne e a junção PN.

Assim, mudanças na tensão VZ, pode ser encontrada por:

∆V = θVZTJ

Coeficiente de temperatura

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Qual seria a influência da temperatura no valor da tensão a

aplicada a um diodo zener, considerando:

– Vz = 12 Volts ; PD = 500 mW ; Tamanho do borne = 0.2”

– Temperatura ambiente = 25 °C

Coeficiente de temperatura

Sabemos que:

∆V = θVZTJ

TJ = TL + ∆TJL

Onde:

TL = θLAPD + TA ; ∆TJL = θJLPD

Considerando:θLA =30°C/W ; TA = 25°C

TL = 40 °C

∆TJL = θJLPD = (150 °C /W)500mW = 75 °C

Assim:

TJ = 40+75 = 115 °C

∆V = θVZTJ = (8mV/ °C).115 °C = 0.92 V

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Diodo zener- datasheet (exemplo)

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(VZ) (Volts) - tensão do zener

Iz – corrente do zener

(IZT) (mA) - corrente de teste

(IZRM) (uAmp) Corrente reversa máxima

ZZT@IZT (Ω) Impedância zener máxima

ZZT@IZK (Ω) Impedância zener (no joelho)

IZK (mA) – corrente teste no joelho (knee)

(IZM)(mA) – máxima corrente do regulador

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Diodo zener- datasheet (exemplo)

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Diodo zener- datasheet (exemplo)

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Diodo zener- datasheet (exemplo)

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Zener como limitador de tensão

Um simples diodo zener pode limitar um lado de uma senoide para a

tensão zener enquanto corta o outro lado para um valor próximo de

zero.

Com dois diodos zeners em oposição, a forma de onda pode ser

limitada a tensão zener em ambos os lados. Isto pode ser usado para

geração de ondas.