Diodo Zener

Definição

O diodo Zener é basicamente como um diodo de junção positivo-negativo (P-N) comum, mas normalmente operado em condição de polarização reversa.

Mas o diodo de junção positivo-negativo (P-N) comum conectado na condição de polarização reversa não é usado como diodo Zener praticamente.

Um diodo Zener é um diodo de junção positivo-negativo (P-N) especialmente projetado e altamente dopado.

O nome diodo zener recebeu o nome do físico americano Clarance Melvin Zener, que descobriu o efeito zener.

Os diodos Zener são os componentes básicos dos circuitos eletrônicos.

Eles são amplamente utilizados em todos os tipos de equipamentos eletrônicos.

Os diodos Zener são usados principalmente para proteger os circuitos eletrônicos contra sobretensão.

O que é um Diodo Zener?

Um diodo Zener é um dispositivo de referência de voltagem que utiliza as características de polarização reversa de uma junção positivo-negativo (P-N) dopada, que é feita de materiais semicondutores do tipo positivo (P) e negativo (N). Enquanto um diodo normal tem uma tensão de quebra reversa relativamente alta, um diodo Zener tem uma quebra reversa tão baixa quanto 1,2 volts de corrente contínua (VDC).

O diodo Zener, como o diodo normal, possui uma banda para marcar o cátodo ou o eletrodo negativo.

Na polarização direta, onde o ânodo é positivo e o cátodo é negativo, o diodo Zener funciona como um diodo normal.

Na operação de polarização reversa, o diodo normal permanece como um circuito aberto para uma ampla faixa de tensões. O diodo normal pode ter uma tensão de quebra reversa de cerca de 160 volts (V), e essa tensão é o nível de pico comum de uma tensão de linha elétrica de 110 volts de corrente alternada (VAC).

O diodo Zener tem uma voltagem reversa muito menor. Por exemplo, um diodo Zener de 6,8 V atingirá a quebra e manterá a corrente que sua potência nominal permite.

A dissipação de energia no diodo deve ser aproximadamente a metade da potência nominal do diodo.

Um diodo Zener de 1 watt (W) permitirá um máximo de 0,147 ampere (A). É uma boa prática permitir que metade da potência nominal seja dissipada continuamente no dispositivo; portanto, a corrente deve ser reduzida para metade para 0,0735 A ou 73,5 miliamperes (mA). Nesta corrente, o diodo de 1 W-6,8 V estará apenas quente. Deve-se notar que esse diodo seria capaz de fornecer cerca de 70 mA para uma carga externa a 6,8 V. Isso faz desse diodo um simples regulador de tensão.

O diodo Zener pode ser conectado a um dispositivo seguidor de voltagem, como um circuito seguidor emissor de transistor bipolar de junção negativo-positivo-negativo (NPN) (BPN). Anteriormente, a saída positiva era no cátodo com polarização inversa, de modo que o cátodo seria conectado à base de um NPN BJT.

O seguidor de emissor acionará a tensão de base e usará seu ganho para fornecer uma tensão de emissor quase igual à tensão de base – o que o torna um seguidor de emissor.

O emissor BJT seguirá a tensão do diodo menos a queda de tensão de base para emissor de silício de aproximadamente 0,7 V, e a saída no emissor é de cerca de 6,1 VCC.

Se a constante de transferência direta do ganho de corrente direta do transistor for 100, a interação do diodo e do transistor fornecerá uma tensão regulada de cerca de 6,1 VDC, de aproximadamente 0 A a cerca de 6 A.

O que é um circuito de diodo?

Um circuito de diodo é qualquer um de uma variedade de circuitos elétricos que aproveitam as características distintivas dos diodos. Uma classe de semicondutores cristalinos com dois terminais, diodos, exibe uma forte tendência a carregar uma carga elétrica “para frente” em uma direção, enquanto praticamente a inibe completamente na outra. Os circuitos de diodo são comumente usados em aplicações de fonte de alimentação para converter corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC) e para sintonizar receptores de TV e rádio. Eles também são usados como interruptores lógicos analógicos e digitais, como capacitores para armazenar e aumentar temporariamente a carga elétrica, em protetores contra surtos de tensão para evitar que picos de tensão danifiquem os equipamentos e como sensores para detectar luz e produzir luz.

Além dos diodos retificadores, outros tipos comuns incluem diodos emissores de luz (LEDs), diodos varicap e diodos Zener.

Os diodos foram os primeiros dispositivos eletrônicos semicondutores a serem inventados. Utilizados amplamente na indústria eletrônica, eles geralmente são feitos de silício, embora o germânio também seja usado.

A resistência elétrica de um circuito de diodo é mínima na direção direta, do ânodo ao cátodo, daí o termo “polarização direta”.

Os diodos de silício, por exemplo, apresentam uma queda de tensão de 0,6-0,7 volts, o ponto inicial, quando a corrente é transportada para frente.

Uma tensão mínima relativamente alta deve ser alcançada para que a corrente flua através de um diodo na direção reversa.

São essas propriedades que tornam os circuitos de diodos muito úteis em uma ampla variedade de dispositivos eletrônicos.

Em um circuito de diodo, um diodo pode ser conectado a qualquer uma de uma ampla variedade de outros dispositivos elétricos ou eletrônicos – capacitores, resistores, transformadores, fontes de alimentação etc. – dependendo da aplicação. Diodos em circuitos podem ser dispostos em série ou em paralelo. Uma aplicação inicial de um circuito de diodo, ainda hoje amplamente difundido, é a troca de sinais analógicos.

Nos primórdios da computação digital, circuitos de diodo eram usados para executar as operações lógicas digitais AND e OR.

Dos muitos tipos diferentes de diodos usados em circuitos, os LEDs produzem luz de frequências visíveis e não visíveis quando a corrente passa entre os eletrodos. Os diodos Varicap ou varactor são usados para sintonizar receptores de rádio e TV. Outro tipo, o fotodiodo, detecta luz. Eles normalmente operam com polarização reversa e são usados para gerar eletricidade e em células solares fotovoltaicas.

Os diodos Zener também operam com polarização reversa e são amplamente utilizados em fontes de alimentação para regular a tensão, produzindo uma tensão de referência estável.

Princípio de funcionamento do diodo Zener

Quando um diodo de junção positivo-negativo (P-N) é polarizado inversamente, a camada de depleção se torna maior. Se esta tensão polarizada reversa através do diodo é aumentada continuamente, a camada de depleção se torna cada vez mais ampla. Ao mesmo tempo, haverá uma corrente de saturação reversa constante devido a operadoras minoritárias.

Após certa tensão reversa através da junção, as transportadoras minoritárias obtêm energia cinética suficiente devido ao forte campo elétrico.

Elétrons livres com energia cinética suficiente colidem com íons estacionários da camada de depleção e eliminam mais elétrons livres.

Esses elétrons livres recém-criados também obtêm energia cinética suficiente devido ao mesmo campo elétrico e criam mais elétrons livres por colisão cumulativa. Devido a esse fenômeno comutativo, muito em breve, elétrons livres enormes são criados na camada de depleção e todo o diodo se torna condutor. Esse tipo de colapso da camada de depleção é conhecido como colapso de avalanche, mas esse colapso não é muito acentuado.

Existe outro tipo de colapso na camada de depleção que é mais nítido em comparação ao colapso de avalanches, e isso é chamado de colapso do Zener. Quando uma junção PN é um diodo altamente dopado, a concentração de átomos de impureza será alta no cristal. Esta concentração mais alta de átomos de impureza causa a maior concentração de íons na camada de depleção, portanto, para a mesma tensão de polarização reversa aplicada, a largura da camada de depleção se torna mais fina que a de um diodo normalmente dopado.

Devido a essa camada mais fina de depleção, o gradiente de tensão ou a intensidade do campo elétrico na camada de depleção é bastante alta. Se a tensão reversa continuar aumentando, após uma certa tensão aplicada, os elétrons das ligações covalentes dentro da região de depleção saem e tornam a região de depleção condutora. Esse detalhamento é chamado de detalhamento do Zener.

A voltagem na qual essa falha ocorre é chamada de voltagem Zener. Se a tensão reversa aplicada através do diodo é maior que a tensão Zener, o diodo fornece um caminho condutor para a corrente através dele, portanto, não há chance de mais avaria de avalanche nele. Teoricamente, a quebra do Zener ocorre em um nível de tensão mais baixo do que a quebra da avalanche em um diodo, especialmente dopado para a quebra do Zener.

O colapso do Zener é muito mais acentuado do que o colapso das avalanches. A tensão Zener do diodo é ajustada durante a fabricação com a ajuda do doping necessário e adequado.

Quando um diodo zener é conectado através de uma fonte de tensão e a tensão da fonte é superior à tensão Zener, a tensão através de um diodo Zener permanece fixa, independentemente da tensão da fonte.

Embora nessa condição, a corrente através do diodo possa ter qualquer valor, dependendo da carga conectada ao diodo. É por isso que usamos um diodo Zener principalmente para controlar a tensão em diferentes circuitos.

Diodo Zener

Fonte: www.electronics-tutorials.ws/www.electrical4u.com/www.physics-and-radio-electronics.com/www.wisegeek.org/www.electronics-notes.com/www.reuk.co.uk