Um diodo Zener é um dos tipos de diodo frequentemente usados em qualquer bancada eletrônica. Isso ocorre porque os diodos Zener são quase sempre usados em circuitos de fonte de alimentação e circuitos de modelagem de onda. Os diodos Zener são como um diodo de junção PN normal, embora sejam fortemente dopados. Isso faz com que o diodo se comporte de maneira diferente de um diodo de sinal quando opera na região de polarização reversa.
Tanto um diodo de sinal quanto um diodo Zener operam de forma semelhante na região de polarização direta. Na polarização reversa, um diodo de sinal bloqueia qualquer corrente do cátodo para o ânodo. Apenas uma quantidade insignificante de corrente reversa, incluindo a corrente de saturação reversa e a corrente do corpo, flui através do diodo em uma faixa de nA ou uA. Esta corrente é tão pequena comparada a qualquer corrente de circuito que não pode acionar nenhuma carga. A corrente do circuito geralmente está na faixa de mA. Quando a tensão reversa é aumentada além de uma certa tensão chamada tensão de joelho, a corrente através do diodo do cátodo ao ânodo aumenta exponencialmente, atingindo logo o nível de corrente do circuito. Neste ponto, um diodo de sinal ou diodo de potência está danificado. Os diodos de sinal geralmente ficam em circuito aberto, enquanto os diodos de potência entram em curto-circuito ao serem danificados. Portanto, um diodo de sinal e um diodo de potência sempre permitem o fluxo de corrente em apenas uma direção, ou seja, do ânodo para o cátodo. Qualquer tensão excessiva aplicada para permitir o fluxo de corrente do cátodo para o ânodo quebra o diodo.
Um diodo Zener é diferente. Ele permite o fluxo de corrente em ambas as direções. Entretanto, a corrente reversa (do cátodo para o ânodo) só pode fluir quando a tensão reversa for superior a uma tensão nominal precisa, ou seja, a tensão Zener. Quando um Zener conduz a corrente do circuito na condição de polarização reversa, ele diminui a tensão do Zener e permite que a corrente do circuito resultante flua através dele.
O que é um diodo Zener?
Um diodo Zener é um diodo semicondutor fortemente dopado projetado para operar na direção reversa (cátodo para ânodo). Esses diodos são projetados para ter sua ruptura reversa em uma 'tensão reversa' nítida e bem definida, de modo que possam operar na região de polarização reversa sem quebrar. A tensão específica na qual um diodo Zener apresenta ruptura reversa é chamada de 'tensão Zener'. Os diodos Zener estão disponíveis com uma ampla faixa de tensões Zener, normalmente de 1,8 V a 200 V. Um diodo Zener só conduz corrente em polarização reversa quando a tensão aplicada é maior que sua tensão Zener.
O símbolo elétrico de um diodo Zener é diferente de um diodo genérico. Um diodo regular (diodo de sinal ou potência) é mostrado em um circuito usando o símbolo a seguir.
O símbolo a seguir mostra um diodo Zener.
Observe as bordas dobradas da barra no símbolo do diodo Zener. É importante distinguir um diodo Zener de um diodo normal em um diagrama de circuito. Os diodos regulares não conduzem corrente em resposta a qualquer tensão reversa e atuam como um circuito aberto. Um diodo Zener conduz do cátodo para o ânodo se a tensão reversa for maior que sua tensão Zener. Este fato deve ser sempre considerado ao analisar um determinado circuito.
Como funciona um diodo Zener
Um diodo Zener é um diodo semicondutor fortemente dopado. Um diodo semicondutor regular em saturação reversa sofre uma ruptura do Avalanche quando a tensão aplicada excede a tensão do joelho. A quebra de avalanche em diodos regulares os quebra, causando-lhes um circuito aberto (geralmente no caso de diodos de sinal) ou um curto-circuito (geralmente no caso de diodos de potência).
Os diodos Zener em saturação reversa exibem dois tipos de quebra – Avalanche Breakdown e Zener Breakdown. Um diodo Zener não quebra nem na quebra do Zener nem na quebra do Avalanche.
Quando um diodo semicondutor regular recebe tensão reversa, sua região de depleção se alarga devido ao efeito dos campos elétricos aplicados. A largura da região de depleção continua aumentando à medida que a tensão reversa aplicada aumenta. Durante todo esse tempo, uma pequena corrente de saturação reversa flui do cátodo para o ânodo devido aos portadores de carga minoritários. A uma certa tensão reversa, a tensão 'Knee', os portadores de carga minoritários têm energia cinética suficiente devido ao campo elétrico na região de depleção para que comecem a colidir com os íons estacionários, eliminando mais elétrons livres. Os elétrons livres recém-gerados também ganham energia cinética semelhante devido ao campo elétrico através da região de depleção. Eles também colidem com íons estacionários, eliminando um número ainda maior de elétrons livres. Isso funciona como uma reação em cadeia acumulando uma grande quantidade de corrente através da região de depleção que o diodo se torna condutor. Isso é chamado de colapso da 'Avalanche'.
Um diodo Zener tem um tipo diferente de quebra na polarização reversa. Isso é chamado de colapso do Zener, que ocorre antes mesmo do colapso do Avalanche. Um diodo Zener é fortemente dopado. Possui um número maior de átomos de impureza do que um diodo normal, portanto, possui um número maior de íons na região de depleção. Devido ao maior número de íons, a região de depleção de um Zener é muito fina. Existe um campo elétrico mais forte na região de depleção devido à sua largura estreita. Devido ao forte campo elétrico na região de depleção, os elétrons de valência dos íons entram na banda de condução e uma grande quantidade de corrente começa a fluir do cátodo para o ânodo.
Observe que a quebra do Avalanche resulta da colisão de portadores de carga minoritários com os íons na região de depleção. Ao mesmo tempo, a quebra de Zener é um fenômeno quântico que ocorre porque os elétrons de valência se moveram da banda de valência para a banda de condução sob a influência do campo elétrico através da estreita região de depleção.
A quebra do Zener ocorre antes da quebra da 'Avalanche'. A quebra do Avalanche não ocorre em uma tensão específica e depende muito das condições de operação do diodo e do circuito. A quebra do Zener ocorre em uma tensão acentuada, a tensão Zener, que é predefinida pelo nível de dopagem do diodo. Uma vez que um diodo Zener entra em colapso Zener, ele é condutor do cátodo para o ânodo e não há chance de colapso por 'Avalanche'.
À medida que um diodo Zener começa a conduzir em polarização reversa, a queda de tensão nele é fixada na tensão Zener', que permanece inalterada pelas variações de tensão da fonte. Porém, a corrente através do Zener pode variar dependendo da corrente do circuito consumida pela carga. Uma vez estabilizada a corrente de carga, a corrente através do diodo Zener também se estabiliza.
Os diodos Zener usam ambos os fenômenos – quebra do Zener e quebra do Avalanche. Se a tensão Zener for de até 6 V, ele começa a conduzir polarização reversa na tensão Zener devido à quebra do Zener. Se a tensão nominal Zener for superior a 6 V, o diodo Zener conduz a ruptura do Avalanche na tensão nominal. Os diodos Zener conduzem corrente mais alta quando são condutores devido à falha do Avalanche do que quando conduzem devido à falha do Zener.
Quando um diodo Zener é polarizado diretamente, ele opera como um diodo normal. Devido à alta dopagem, a corrente máxima direta do diodo Zener é sempre maior que a dos diodos normais.
Embalagem de diodo Zener
Os diodos Zener vêm em pacotes passantes e SMD. Os modelos de furo passante são geralmente encapsulados em vidro para lidar com alta dissipação de energia. Ambos os tipos de embalagens possuem uma faixa em uma das extremidades para indicar o cátodo.
Conectando o diodo Zener em um circuito
Em um circuito/rede, um diodo Zener pode ser conectado com a carga em série com o diodo ou com carga paralela ao diodo. O diodo Zener está sempre conectado para operar no sentido inverso.
Quando o Zener é conectado em série à carga, a tensão aplicada cai pela tensão Zener do diodo, e a tensão restante aparece na extremidade anódica do Zener. Geralmente há um resistor conectado em série com o diodo Zener. Este resistor e a resistência restante do circuito de carga determinam a corrente através do diodo Zener. A mesma corrente flui tanto pela carga quanto pelo diodo Zener.
Quando Zener é conectado com carga em paralelo, a mesma tensão se aplica à rede de carga até que a tensão aplicada seja menor que a tensão Zener. À medida que a tensão aplicada aumenta além da tensão Zener, apenas a tensão Zener que cai no diodo aparece na rede de carga. Portanto, a tensão na rede de carga nunca ultrapassa a tensão Zener. Agora, a corrente através da rede de carga depende da tensão Zener e da resistência da carga. Se um resistor ou outra rede já estiver conectado em série ao Zener (e à rede de carga) antes da fonte de tensão, a corrente já está limitada por esse resistor ou rede.
Referência de diodo Zener
Existem centenas de modelos de diodo Zener disponíveis. A tabela a seguir lista alguns dos diodos Zener populares.
Aplicações de diodo Zener
Observe que esta lista não é exaustiva. Esta lista é apenas uma tentativa de listar diodos Zener populares com tensões Zener de até 6V. Esta tabela pode servir como ponto de partida para explorar os diodos Zener.
O diodo Zener tem as seguintes aplicações comuns:
- Referência de tensão: Quando um circuito de carga deve ser alimentado com uma tensão fixa, ele pode ser conectado em paralelo a um diodo Zener da mesma tensão Zener. Desta forma, a tensão no dispositivo/rede de carga parecerá igual à tensão Zener, mas nunca superior a isso. A fonte de tensão do Zener deve ser maior que a tensão do Zener; caso contrário, o diodo Zener não conduzirá na direção reversa e a tensão aplicada menor que a tensão Zener aparecerá na carga.
Observe que esta não é uma regulação de tensão ideal. No circuito acima, a corrente para a carga é limitada pela resistência. A tensão para a carga pode variar dependendo da corrente consumida pela própria carga. A tensão também pode variar devido à temperatura.
- Fonte de alimentação multi-rail – Uma fonte multi-rail pode ser projetada usando vários diodos Zener. Os Zeners podem ser conectados em série para fornecer diferentes quedas de tensão juntas. É o mesmo que usar Zener para referência de tensão. Um único diodo Zener é usado em uma referência de tensão simples para fornecer uma queda de tensão fixa em uma rede de carga. Vários diodos Zener são usados em uma fonte multi-rail para fornecer quedas de tensão simétricas e/ou ascendentes. Lembre-se que a corrente através dos diodos Zener deve ser suficiente para acionar as redes de carga. Para isso, os próprios diodos Zener devem ter uma potência nominal adequada e não deve haver rede ou resistência limitando a corrente através dos diodos Zener além dos níveis de corrente exigidos na carga. Abaixo está um barramento de alimentação simétrico projetado com diodos Zener.
Abaixo está outro circuito de fonte de alimentação multi-rail usando diodos Zener.
- Fixação de tensão: Os sinais CA podem ser fixados usando um diodo Zener. Se a amplitude de pico de um sinal CA for Vpico alto, um diodo Zener de tensão Zener, Vz, pode fixar o pico positivo em Vz conectando a saída ao cátodo do Zener e conectando o ânodo do Zener ao terra. O nível do sinal fixado pode ser aumentado acima de Vz conectando um trilho positivo com o incremento necessário no ânodo do Zener, em vez de conectá-lo ao terra. Isso também removerá completamente o ciclo negativo da saída.
Mesmo dois diodos Zener podem ser conectados em direções opostas em série para obter uma fixação simétrica do sinal CA de entrada.
- Tradução de tensão – O diodo Zener pode ser usado para suavizar a alimentação de entrada de um regulador de tensão. Ao conectar um diodo Zener em série com uma fonte de tensão a um regulador de tensão, a fonte de tensão de entrada pode ser reduzida em Vz. Em comparação com um resistor de queda de tensão, o diodo Zener em seu lugar pode tolerar todas as variações de corrente da carga na outra extremidade do regulador de tensão.
Como selecionar um diodo Zener
Os dois fatores mais importantes que determinam a seleção de um diodo Zener para uma determinada aplicação são a sua 'tensão Zener' e a potência nominal. Um diodo Zener deve ser selecionado pela tensão Zener que deve ser reduzida por sua conexão em série ou deve fornecer através de uma conexão paralela. Em segundo lugar, a sua potência nominal deve ser suficiente, não limitando a corrente consumida pelo dispositivo de carga ou rede.