quarta-feira, 9 de novembro de 2011

Introdução ao Diodo Zener


   Olá a todos. Hoje vamos falar desse carinha especial que é o diodo zener. O que ele é? O que ele faz? Como ele faz? Todas essas informações valiosas você encontra aqui, no melhor blog de eletrônica do Brasil! (ahhhh, eu tenho que vender meu peixe né gente!)...

   O diodo zener (nomeado em homenagem ao cientista norte-americano Clarence M. Zener) é um diodo de aplicação especial projetado para operar no que se chama de "região zener". Ele é especialmente dopado para operar acima da região de ruptura reversa. Mas, antes de analisar esses detalhes de sua construção, vamos estudar seu funcionamento. E, para começar tal análise, vamos olhar para sua curva característica.


   Veja que, quando polarizado diretamente ele se comporta como um diodo comum, dando a queda de 0,7 V usual dos diodos de silício. A questão é que quando ele é polarizado reversamente ele tenderá a segurar uma tensão reversa chamada de tensão zener. Vamos analisar melhor esse fato estudando a montagem abaixo:





   Imagine que temos um diodo zener de 12 V, um resistor em série de 1 K e que a fonte de tensão \(V_{in}\) tenha uma tensão variável de 0 a 30 V, por exemplo. Começando com a fonte em 0 V e aumentando, nada acontece antes de chegar nos 12 V. Isso pois o diodo zener vai estar reversamente polarizado, segurando para si toda tensão e não haverá circulação de corrente no circuito. Quando a tensão passar de 12 V o diodo zener começa a conduzir mesmo estando reversamente polarizado. Suponha uma tensão de 15 V na fonte \(V_{in}\). Em cima do diodo zener estará a tensão zener, que é de 12 V. Os outros 3 V restantes estarão sobre o resistor R, que dissemos ser de 1000 Ohms, por exemplo. Assim, uma tensão de 3 V sobre um resistor de 1 K nos dá uma corrente de 3 mA. Se a tensão aumentar para 20 V, em cima do zener ainda estarão os 12 V, estando os 8 V restantes sobre o resistor. Assim a corrente que circulará pelo circuito será de 8 mA. Chegando, por fim, ao extremo máximo da fonte, estaremos aplicando 30 V sobre todo o circuito. Em cima do zener ainda estarão os mesmo 12 V, estando os 18 V restantes sobre o resistor de 1 K, por onde circula uma corrente de 18 mA.

   Ou seja, o diodo zener tem a capacidade de reter para si uma tensão, chamada de tensão zener, desde que ele seja ligado em série com um resistor e sobre esse conjunto seja aplicada uma tensão maior que a tensão zener.

   Por que ele deve ser ligado em série com um resistor? Pois o diodo zener irá reter para si a tensão zener. A tensão que sobra, ou seja, esse excesso de tensão deve ser "absorvido" por outro componente, que, nesse caso, é o resistor em série.

   Por que a tensão no conjunto (ou seja, na série) deve ser maior que a tensão zener? Pois o diodo zener não tem como segurar 12 V, por exemplo, se não houver 12 V para serem segurados. O mesmo se aplica a qualquer diodo zener de qualquer tensão. Deve ser aplicada uma tensão maior que a zener para que o diodo segure a tensão zener, jogando o excesso para o resistor. Como regra geral, para uma boa regulação zener, deve ser aplicada sobre a série uma tensão de, no mínimo, 20% maior que a tensão zener. Ou seja, com um diodo zener de 12 V devemos aplicar na associação série uma tensão de, no mínimo, 14,4 V. Dessa tensão, 12 V ficarão no diodo zener e os 2,4 V restantes no resistor.

   O que acontece se ligarmos o diodo zener sem o resistor série? Pense que, quando a tensão excede o valor de tensão zener, o diodo passa a conduzir intensamente. A única coisa que limita a corrente do circuito é o resistor em sére. Assim se aplicarmos uma tensão superior a tensão zener sobre um diodo zener sem um resistor em série ele irá se danificar devido ao excesso de corrente que irá fluir por ele. Por isso o resistor em série tem grande importância nos circuitos com zener.

   Quais são as outras características do zener? Bem, como ele segura uma tensão em cima dele, e por ele circula uma corrente elétrica, existe uma potência dissipada. Assim, existe dois fatores que devem ser levados em conta ao comprar um diodo zener: a tensão zener e a potência nominal. Por exemplo, existe um diodo zener chamado 1N4742A. Sua tensão zener é de 12 V e a potência nominal é de 1 W. Dividindo a potência pela sua tensão zener, descubriremos a corrente máxima que ele suporta: 83,3 mA. Para maior durabilidade dos componentes usamos um fator de segurança 2. Isso quer dizer que se o diodo suporta, no máximo, 83,3 mA, nós usaremos, no máximo, metade disso. Então, a corrente que usaríamos seria de 41,6 mA. Isso garante que o diodo zener, por operar com bastante "folga", dure muito tempo em ótimo estado de funcionamento.

   Porém falamos até agora de um diodo zener ideal, ou seja, não importa a tensão em sua malha, sua tensão é sempre exatamente igual a tensão zener. Mas, porém, entretanto e todavia, um diodo zener ideal não existe. Isso por que o diodo zener possui um determinado valor de resistência de corpo, ou seja, a resistência que ele apresenta para a corrente que passa através dele. Então, conforme passa corrente por ele, a tensão que fica em cima dele é a tensão zener mais o produto dessa corrente por sua resistência de corpo, ou seja:

$$ \huge V_D = V_Z + I \times R_B $$

onde:

 \( V_D \)é a tensão sobre o diodo zener;

 \( V_Z \)é a tensão zener;

 \( I \)é o valor da corrente elétrica que atravessa o diodo;

 \( R_B \)é a resistência de corpo que o diodo apresenta.

   Em geral a resistêcia de corpo é baixa, apresentando assim uma pequena variação na tensão zener. Então a fórmula que nos permitia calcular a corrente com um diodo zener ideal, que era:

$$ \huge I = \frac{V_{cc} - V_Z}{R} $$

   Transforma-se na seguinte fórmula, que nos permite calcular a corrente em um circuito considerando um diodo zener real que possui resistência de corpo:

$$ \huge I = \frac{V_{cc} - V_Z}{R + R_B} $$

  Deixe-me dar um exemplo, para ilustrar a ideia com números. O datasheet do diodo 1N4742A informa que a resistência de corpo do diodo é de 9 Ohms. Supondo uma tensão de 30 V aplicada sobre o diodo em série com um resistor de 1000 Ohms a corrente ideal, já calculada por nós, foi de 18 mA. Usando a fórmula do diodo ideal, vamos ter uma corrente um pouco menor, de 17,8 mA. A variação foi baixíssima, mas é sempre bom saber que ela existe, até para entender melhor o funcionamento do componente. E perceba que quanto menor o valor do resistor em série, mais significativo se torna a resistência do diodo. Quanto maior a corrente absorvida pelo zener, maior se torna a diferença também. Se usarmos a corrente máxima nominal do diodo zener 1N4742A, que é de 83,3 mA, a tensão sobre o zener passa de 12 V para 12,75 V. Essa tensão extra é a tensão segurada pela resistência de corpo [9 Ohms] com a corrente nominal [83,3 mA].

   O diodo zener é excelente para manter uma tensão fixa de referência em algum ponto do circuito. Seu único problema é que por ele não pode circular muita corrente. Isso limita alguns de seus usos, embora existam diodos zener que suportem correntes maiores.

   E agora que entendemos o funcionamento do diodo, eu encerro esta postagem. No próximo post eu quero falar mais dos mecanismos de funcionamento do diodo zener, que são o efeito avalanche e o efeito zener. Também queria até falar um pouquinho sobre o Clarence Zener, mas aí já não prometo nada. Mas, enfim,  isso é assunto para um futuro próximo. Até lá, se cuidem e estudem bastante.

2 comentários:

  1. as formulas e imagens estão corrompidas amigo...

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    1. Valeu pela dica. Corrigi as fórmulas corrompidas e dei uma reformatada no post! Obrigado!

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