Um diodo semicondutor tem muitas "profissões". Ele pode retificar a tensão, desatar circuitos elétricos, proteger equipamentos de fontes de alimentação inadequadas. Mas há um tipo não muito comum de "trabalho" do diodo, quando sua propriedade de condução unidirecional é usada muito indiretamente. Um dispositivo semicondutor para o qual o modo normal é polarização reversa é chamado de diodo zener.
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O que é um diodo zener, onde é usado e quais são
Um diodo zener, ou um diodo Zener (em homenagem a um cientista americano que foi o primeiro a estudar e descrever as propriedades deste dispositivo semicondutor), é um diodo convencional com uma junção p-n.Sua característica é trabalhar na seção da característica com polarização negativa, ou seja, quando a tensão é aplicada em polaridade reversa. Tal diodo é usado como um estabilizador independente que mantém a tensão do consumidor constante, independentemente de mudanças na corrente de carga e flutuações na tensão de entrada. Além disso, nós em diodos zener são usados como fontes de tensão de referência para outros estabilizadores com um circuito desenvolvido. Menos comumente, um diodo reverso é usado como um elemento de modelagem de pulso ou protetor contra surtos.
Existem diodos zener convencionais e diodos de dois anodos. Um diodo zener de dois anodos são dois diodos conectados de trás para frente em um compartimento. Pode ser substituído por dois dispositivos separados, incluindo-os de acordo com o esquema apropriado.
Volt-ampere característica do diodo zener e seu princípio de operação
Para entender o princípio de funcionamento de um diodo zener, é necessário estudar sua característica corrente-tensão típica (CVC).
Se uma tensão for aplicada ao zener na direção direta, como em um diodo convencional, ele se comportará como um diodo convencional. A uma tensão de cerca de 0,6 V (para um dispositivo de silício), ele abrirá e entrará na seção linear da característica I-V. No tópico do artigo, o comportamento de um diodo zener é mais interessante quando é aplicada uma tensão de polaridade reversa (ramo negativo da característica). Primeiro, sua resistência aumentará acentuadamente e o dispositivo deixará de passar corrente. Mas quando um determinado valor de tensão é alcançado, ocorrerá um aumento acentuado na corrente, chamado de ruptura. Tem um caráter de avalanche e desaparece depois que o poder é removido.Se você continuar aumentando a tensão reversa, a junção p-n começará a aquecer e entrará no modo de ruptura térmica. A ruptura térmica é irreversível e significa a falha do diodo zener, portanto, você não deve colocar o diodo nesse modo.
Uma interessante área de operação de um dispositivo semicondutor no modo de avalanche. Sua forma é quase linear e possui uma alta inclinação. Isso significa que com uma grande mudança na corrente (ΔI), a mudança na queda de tensão no diodo zener é relativamente pequena (ΔU). E isso é estabilização.
Este comportamento ao aplicar uma tensão reversa é típico para qualquer diodo. Mas a peculiaridade do diodo zener é que seus parâmetros nesta seção do CVC são normalizados. Sua tensão de estabilização e inclinação são dadas (com certa dispersão) e são parâmetros importantes que determinam a adequação do dispositivo no circuito. Você pode encontrá-los em livros de referência. Diodos comuns também podem ser usados como diodos zener - se você remover o CVC e entre eles houver uma característica adequada. Mas este é um processo longo e trabalhoso com um resultado não garantido.
As principais características do diodo zener
Para escolher um diodo Zener para fins existentes, você precisa conhecer vários parâmetros importantes. Essas características determinarão a adequação do dispositivo selecionado para resolver as tarefas.
Tensão nominal de estabilização
O primeiro parâmetro do zener, ao qual você precisa prestar atenção ao escolher, é a tensão de estabilização, determinada pelo ponto inicial da avalanche. Começa com a seleção de um dispositivo para uso no circuito.Para diferentes instâncias de diodos zener comuns, mesmo do mesmo tipo, a tensão tem um spread na região de vários por cento, para os de precisão a diferença é menor. Se a tensão nominal for desconhecida, ela pode ser determinada montando um circuito simples. Você deve preparar:
- resistor de lastro 1 ... 3 kOhm;
- fonte de tensão ajustável;
- voltímetro (você pode usar um testador).
É necessário elevar a tensão da fonte de energia de zero, controlando o crescimento da tensão no diodo zener usando um voltímetro. Em algum momento, ele irá parar, apesar de um aumento adicional na tensão de entrada. Esta é a tensão de estabilização real. Se não houver fonte regulada, você pode usar uma fonte de alimentação com uma tensão de saída constante obviamente maior que Uestabilização. O esquema e o princípio de medição permanecem os mesmos. Mas existe o risco de falha do dispositivo semicondutor devido ao excesso de corrente de operação.
Os diodos Zener são usados para trabalhar com tensões de 2 ... 3 V a 200 V. Para formar uma tensão estável abaixo dessa faixa, outros dispositivos são usados - estabilizadores operando na seção direta do CVC.
Faixa de corrente de operação
A corrente na qual os diodos zener realizam sua função é limitada por cima e por baixo. A partir de baixo, é limitado pelo início da seção linear do ramo reverso do CVC. Em correntes mais baixas, a característica não fornece um modo de tensão constante.
O valor superior é limitado pela dissipação de potência máxima que um dispositivo semicondutor é capaz e depende de seu projeto. Os diodos Zener em uma caixa de metal são projetados para mais corrente, mas não se esqueça do uso de dissipadores de calor.Sem eles, a potência máxima de dissipação permitida será significativamente menor.
Resistência diferencial
Outro parâmetro que determina o funcionamento do diodo zener é a resistência diferencial Rst. É definida como a razão entre a variação de tensão ΔU e a variação de corrente ΔI que a causou. Este valor tem a dimensão da resistência e é medido em ohms. Graficamente, esta é a tangente da inclinação da seção de trabalho da característica. Obviamente, quanto menor a resistência, melhor a qualidade da estabilização. Para um diodo zener ideal (não existente na prática), Rst é igual a zero - qualquer aumento na corrente não causará nenhuma mudança na tensão, e a seção característica I-V será paralela ao eixo y.
Marcação de diodo Zener
Diodos zener nacionais e importados em uma caixa de metal são marcados de forma simples e clara. Eles são marcados com o nome do dispositivo e a localização do ânodo e do cátodo na forma de uma designação esquemática.
Os dispositivos em uma caixa de plástico são marcados com anéis e pontos de várias cores nos lados do cátodo e do ânodo. Pela cor e combinação de caracteres, você pode determinar o tipo de dispositivo, mas para isso você deve procurar em livros de referência ou usar programas de calculadora. Ambos podem ser encontrados na Internet.
Às vezes, uma tensão de estabilização é aplicada a diodos zener de baixa potência.
Circuitos de comutação de diodo Zener
O circuito principal para ligar um diodo zener está em série com resistor, que define a corrente através do dispositivo semicondutor e assume o excesso de tensão. Os dois elementos fazem divisor comum. Quando a tensão de entrada muda, a queda no diodo zener permanece constante, enquanto a queda no resistor muda.
Tal circuito pode ser usado independentemente e é chamado de estabilizador paramétrico. Ele mantém a tensão na carga constante, apesar das flutuações na tensão de entrada ou na corrente consumida (dentro de certos limites). Um bloco semelhante também é usado como circuito auxiliar onde é necessária uma fonte de tensão de referência.
Tal inclusão também é utilizada como proteção de equipamentos sensíveis (sensores, etc.) contra ocorrência anormal de alta tensão na linha de alimentação ou medição (impulsos constantes ou aleatórios). Qualquer coisa acima da tensão de estabilização do dispositivo semicondutor é "cortada". Esse esquema é chamado de "barreira Zener".
Anteriormente, a propriedade do diodo zener de “cortar” os picos de tensão era amplamente utilizada em circuitos formadores de pulso. Dispositivos de dois anodos foram usados em circuitos de corrente alternada.
Mas com o desenvolvimento da tecnologia de transistores e o advento dos circuitos integrados, esse princípio raramente era usado.
Se não houver diodo zener disponível para a tensão desejada, ele pode ser composto de dois. A tensão total de estabilização será igual à soma das duas tensões.
Importante! Não conecte diodos zener em paralelo para aumentar a corrente de operação! A propagação das características de corrente-tensão levará à saída de um diodo zener na zona de ruptura térmica, então o segundo falhará devido ao excesso de corrente de carga.
Embora na documentação técnica dos tempos da URSS seja permitido paralelo inclusão zeners em paralelo, mas com a ressalva de que os dispositivos devem ser do mesmo tipo e a potência total real de dissipação durante a operação não deve exceder o permitido para um único diodo zener. Ou seja, um aumento na corrente de operação nesta condição não pode ser alcançado.
Para aumentar a corrente de carga permitida, outro esquema é usado. O estabilizador paramétrico é complementado com um transistor e um seguidor de emissor é obtido com uma carga no circuito do emissor e um tensão de base do transistor.
Nesse caso, a tensão de saída do estabilizador será menor que Uestabilização pela quantidade de queda de tensão na junção do emissor - para um transistor de silício, cerca de 0,6 V. Para compensar essa diminuição, você pode ligar um diodo em série com o diodo zener na direção direta.
Desta forma (ligando um ou mais diodos), você pode ajustar a tensão de saída do estabilizador para cima dentro de uma pequena faixa. Se você precisar aumentar radicalmente o Uout, é melhor ligar mais um diodo zener em série.
O escopo do diodo zener em circuitos eletrônicos é extenso. Com uma abordagem consciente para a escolha, este dispositivo semicondutor ajudará a resolver muitos problemas atribuídos ao desenvolvedor.
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