Tuttavia, il diodo Zener o “diodo di breakdown”, come a volte ci si riferisce ad esso, è fondamentalmente lo stesso del diodo standard a giunzione PN ma è appositamente progettato per avere una bassa e specifica tensione di breakdown inversa che sfrutta qualsiasi tensione inversa applicata ad esso.
Il diodo Zener si comporta proprio come un normale diodo di uso generale costituito da una giunzione PN al silicio e quando è polarizzato in direzione avanti, cioè anodo positivo rispetto al catodo, si comporta proprio come un normale diodo di segnale che passa la corrente nominale.
Tuttavia, a differenza di un diodo convenzionale che blocca qualsiasi flusso di corrente attraverso se stesso quando è polarizzato al contrario, cioè il catodo diventa più positivo dell’anodo, non appena la tensione inversa raggiunge un valore predeterminato, il diodo zener inizia a condurre nella direzione inversa.
Questo perché quando la tensione inversa applicata attraverso il diodo zener supera la tensione nominale del dispositivo, si verifica un processo chiamato rottura a valanga nello strato di esaurimento del semiconduttore e una corrente inizia a fluire attraverso il diodo per limitare questo aumento di tensione.
La corrente che ora scorre attraverso il diodo zener aumenta drasticamente fino al valore massimo del circuito (che di solito è limitato da una resistenza serie) e una volta raggiunto, questa corrente di saturazione inversa rimane abbastanza costante su una vasta gamma di tensioni inverse. Il punto di tensione in cui la tensione attraverso il diodo zener diventa stabile è chiamato “tensione zener”, ( Vz ) e per i diodi zener questa tensione può variare da meno di un volt a poche centinaia di volt.
Il punto in cui la tensione zener innesca la corrente per fluire attraverso il diodo può essere controllato molto accuratamente (con una tolleranza inferiore all’1%) nella fase di drogaggio della costruzione del semiconduttore dei diodi dando al diodo una specifica tensione di rottura zener, ( Vz ) per esempio, 4.3V o 7.5V. Questa tensione di rottura zener sulla curva I-V è quasi una linea retta verticale.
Caratteristiche I-V del diodo Zener
Il diodo Zener è usato nella sua modalità “reverse bias” o di rottura inversa, cioè l’anodo del diodo si collega all’alimentazione negativa. Dalla curva delle caratteristiche I-V di cui sopra, possiamo vedere che il diodo zener ha una regione nelle sue caratteristiche di polarizzazione inversa di una tensione negativa quasi costante, indipendentemente dal valore della corrente che scorre attraverso il diodo.
Questa tensione rimane quasi costante anche con grandi cambiamenti nella corrente, a condizione che la corrente dei diodi zener rimanga tra la corrente di breakdown IZ(min) e la sua corrente massima nominale IZ(max).
Questa capacità del diodo zener di controllarsi può essere usata con grande effetto per regolare o stabilizzare una fonte di tensione contro le variazioni di alimentazione o di carico. Il fatto che la tensione attraverso il diodo nella regione di breakdown è quasi costante risulta essere una caratteristica importante del diodo zener in quanto può essere utilizzato nei più semplici tipi di applicazioni di regolatori di tensione.
La funzione di un regolatore di tensione è quella di fornire una tensione di uscita costante ad un carico collegato in parallelo con esso nonostante le ondulazioni della tensione di alimentazione o le variazioni della corrente di carico. Un diodo zener continuerà a regolare la sua tensione fino a quando la corrente di mantenimento dei diodi non scende sotto il valore minimo IZ(min) nella regione di ripartizione inversa.
Il regolatore a diodi zener
I diodi zener possono essere utilizzati per produrre una tensione di uscita stabilizzata con bassa ondulazione in condizioni di corrente di carico variabile. Facendo passare una piccola corrente attraverso il diodo da una sorgente di tensione, attraverso un’adeguata resistenza di limitazione della corrente (RS), il diodo zener condurrà una corrente sufficiente a mantenere una caduta di tensione di Vout.
Ricordiamo dai precedenti tutorial che la tensione di uscita DC dai raddrizzatori a mezza o onda contiene un’ondulazione sovrapposta alla tensione DC e che come il valore del carico cambia così come la tensione media di uscita. Collegando un semplice circuito stabilizzatore zener come mostrato di seguito attraverso l’uscita del raddrizzatore, si può produrre una tensione di uscita più stabile.
Regolatore a diodo zener
Resistenza, RS è collegata in serie con il diodo zener per limitare il flusso di corrente attraverso il diodo con la sorgente di tensione, VS collegata attraverso la combinazione. La tensione di uscita stabilizzata Vout è presa da attraverso il diodo zener.
Il diodo zener è collegato con il suo terminale catodico collegato al binario positivo dell’alimentazione DC in modo da essere invertito e funzionare nella sua condizione di breakdown. Il resistore RS è selezionato in modo da limitare la massima corrente che scorre nel circuito.
Senza carico collegato al circuito, la corrente di carico sarà zero, ( IL = 0 ), e tutta la corrente del circuito passa attraverso il diodo zener che a sua volta dissipa la sua massima potenza. Anche un piccolo valore della resistenza in serie RS risulterà in una maggiore corrente del diodo quando la resistenza di carico RL è collegata e grande come questo aumenterà il requisito di dissipazione di potenza del diodo quindi bisogna fare attenzione quando si seleziona il valore appropriato della resistenza in serie in modo che la potenza massima dello zener non venga superata in questa condizione di assenza di carico o di alta impedenza.
Il carico è collegato in parallelo con il diodo zener, quindi la tensione attraverso RL è sempre uguale alla tensione dello zener, ( VR = VZ ). C’è una corrente zener minima per la quale la stabilizzazione della tensione è efficace e la corrente zener deve rimanere sempre al di sopra di questo valore operando sotto carico nella sua regione di breakdown. Il limite superiore della corrente dipende naturalmente dalla potenza nominale del dispositivo. La tensione di alimentazione VS deve essere maggiore di VZ.
Un piccolo problema con i circuiti stabilizzatori a diodi zener è che il diodo può a volte generare rumore elettrico sopra l’alimentazione DC mentre cerca di stabilizzare la tensione. Normalmente questo non è un problema per la maggior parte delle applicazioni, ma l’aggiunta di un condensatore di disaccoppiamento di grande valore attraverso l’uscita dello zener può essere richiesto per dare un ulteriore livellamento.
Per riassumere un po’. Un diodo zener funziona sempre nella sua condizione di polarizzazione inversa. Come tale, un semplice circuito regolatore di tensione può essere progettato utilizzando un diodo zener per mantenere una tensione d’uscita DC costante attraverso il carico nonostante le variazioni della tensione d’ingresso o i cambiamenti nella corrente di carico.
Il regolatore di tensione zener consiste in una resistenza limitatrice di corrente RS collegata in serie alla tensione d’ingresso VS con il diodo zener collegato in parallelo al carico RL in questa condizione di polarizzazione inversa. La tensione di uscita stabilizzata è sempre selezionata per essere uguale alla tensione di rottura VZ del diodo.
Esempio di diodo zener n. 1
Si richiede un’alimentazione stabilizzata a 5.0V da una sorgente di ingresso di alimentazione a 12V DC. La potenza massima PZ del diodo zener è di 2W. Usando il circuito regolatore zener di cui sopra calcolare:
a). La corrente massima che scorre attraverso il diodo zener.
b). Il valore minimo della resistenza serie, RS
c). La corrente di carico IL se una resistenza di carico di 1kΩ è collegata attraverso il diodo zener.
d). La corrente dello zener IZ a pieno carico.
Tensioni del diodo zener
Oltre a produrre una singola tensione stabilizzata in uscita, i diodi zener possono anche essere collegati in serie con normali diodi di segnale al silicio per produrre una varietà di valori diversi di tensione di riferimento in uscita come mostrato di seguito.
Diodi Zener collegati in serie
I valori dei singoli diodi Zener possono essere scelti in base all’applicazione, mentre il diodo al silicio cadrà sempre a circa 0.6 – 0.7V nella condizione di bias in avanti. La tensione di alimentazione, Vin deve naturalmente essere superiore alla tensione di riferimento di uscita più grande e nel nostro esempio sopra questo è 19v.
Un tipico diodo zener per i circuiti elettronici generali è il 500mW, BZX55 serie o il più grande 1.3W, BZX85 serie dove la tensione zener è dato come, per esempio, C7V5 per un 7. 5V diodo dando un diodo di riferimento.5V dando un numero di riferimento del diodo BZX55C7V5.
La serie 500mW di diodi zener è disponibile da circa 2,4 fino a circa 100 volt e tipicamente hanno la stessa sequenza di valori utilizzati per la serie di resistenze al 5% (E24) con i valori di tensione individuali per questi piccoli ma molto utili diodi sono riportati nella tabella sottostante.
Tensioni standard dei diodi zener
Circuiti di clipping dei diodi zener
Finora abbiamo visto come un diodo zener può essere usato per regolare una sorgente DC costante, ma se il segnale di ingresso non fosse una DC stabile ma una forma d’onda AC alternata, come reagirebbe il diodo zener a un segnale in costante cambiamento?
I circuiti di diodo clipping e clamping sono circuiti che vengono utilizzati per modellare o modificare una forma d’onda AC in ingresso (o qualsiasi sinusoide) producendo una forma d’onda in uscita di forma diversa a seconda della disposizione del circuito. I circuiti clipper a diodo sono anche chiamati limitatori perché limitano o clippano la parte positiva (o negativa) di un segnale AC in ingresso. Poiché i circuiti zener clipper limitano o tagliano una parte della forma d’onda attraverso di loro, sono usati principalmente per la protezione dei circuiti o nei circuiti di formazione della forma d’onda.
Per esempio, se volessimo tagliare una forma d’onda di uscita a +7.5V, useremmo un diodo zener a 7.5V. Se la forma d’onda di uscita cerca di superare il limite di 7.5V, il diodo zener “taglierà” la tensione in eccesso dall’ingresso producendo una forma d’onda con una cima piatta, mantenendo l’uscita costante a +7.5V. Si noti che nella condizione di polarizzazione in avanti un diodo zener è ancora un diodo e quando l’uscita della forma d’onda AC va in negativo sotto -0.7V, il diodo zener si “accende” come farebbe qualsiasi normale diodo al silicio e taglia l’uscita a -0.7V come mostrato sotto.
Segnale di onda quadra
I diodi zener collegati back to back possono essere usati come un regolatore AC producendo quello che viene scherzosamente chiamato un “generatore di onda quadra dei poveri”. Usando questa disposizione possiamo tagliare la forma d’onda tra un valore positivo di +8.2V e un valore negativo di -8.2V per un diodo zener di 7.5V.
Così, per esempio, se volessimo tagliare una forma d’onda di uscita tra due diversi valori minimi e massimi di +8V e -6V, dovremmo semplicemente usare due diodi zener di valore diverso. Si noti che l’uscita in realtà taglierà la forma d’onda AC tra +8.7V e -6.7V a causa dell’aggiunta della tensione del diodo di polarizzazione in avanti.
In altre parole una tensione da picco a picco di 15.4 volt invece dei previsti 14 volt, poiché la caduta del volt di polarizzazione in avanti attraverso il diodo aggiunge altri 0.7 volt in ogni direzione.
Questo tipo di configurazione del clipper è abbastanza comune per proteggere un circuito elettronico dalla sovratensione. I due zener sono generalmente posizionati attraverso i terminali di ingresso dell’alimentazione e durante il normale funzionamento, uno dei diodi zener è “OFF” e i diodi hanno poco o nessun effetto. Tuttavia, se la forma d’onda della tensione d’ingresso supera il suo limite, allora gli zener diventano “ON” e bloccano l’ingresso per proteggere il circuito.
Nel prossimo tutorial sui diodi, vedremo come usare la giunzione PN polarizzata in avanti di un diodo per produrre luce. Sappiamo dai tutorial precedenti che quando i portatori di carica si muovono attraverso la giunzione, gli elettroni si combinano con i buchi e l’energia viene persa sotto forma di calore, ma anche parte di questa energia viene dissipata come fotoni, ma non possiamo vederli.