Quando foram estudadas as regiões de operação de um diodo comum, foi visto que reversamente o diodo possui uma limitação de aplicação de tensão, chamada de tensão de ruptura reversa. Se este valor for alcançado, o diodo conduz reversamente e, devido ao excesso de corrente reversa passando pela junção, o mesmo acaba queimando.
Um diodo zener possui o funcionamento idêntico ao de um diodo comum, porém, devido a uma dopagem mais intensa (o que acarreta um excesso de portadores de carga), o diodo zener é capaz de operar sem queimar na região de ruptura reversa, também chamada região zener. A dopagem mais intensa do diodo zener permite diminuir a tensão zener e fazer com que o mesmo conduza reversamente sem queimar. Assim, no mercado existem diodos zener desde 1,8 até 200 V de tensão de condução reversa e de
¼ a 50 W de potência. Abaixo são mostrados alguns modelos comerciais de diodo zener.
Figura 74: Modelos comerciais de diodo zener
A vantagem de uso do zener na tensão de ruptura reversa é que mesmo que a corrente de catodo para anodo varie, a tensão permanece praticamente constante, como uma queda de tensão reversa. Assim, o diodo zener é muito utilizado como regulador ou estabilizador de tensão em circuitos amplificadores, comparadores e outros. Abaixo é mostrado o símbolo de um diodo zener ao lado do símbolo de um diodo comum.
Figura 75: Símbolo de um diodo zener (a) e de um diodo comum (b)
Note que a simbologia é aplicada para corrente reversa (de anodo para catodo) e com tensão reversa aplicada. Polarizado diretamente o zener se comporta como um diodo comum e não tem razão de ser utilizado.
Para analisar um circuito com zener, podemos utilizar o modelo mais comum, que é o modelo fonte (não há modelo ideal reverso para o zener). Em casos mais específicos, pode ser considerada uma resistência em série com a fonte, para representar a pequena variação de tensão que o diodo possui.
8.1. Características e dimensionamento
Um diodo zener é utilizado apenas polarizado reversamente, assim, a ao zener. Outra característica importante é a potência nominal, pois há um limite de condução para o zener, assim como para qualquer componente eletrônico.
Como podemos considerar que a tensão reversa do diodo é constante, a potência máxima influencia na máxima corrente que o diodo pode conduzir. Na prática geralmente é aplicada uma tensão mais alta sobre o diodo zener ligado em série com um resistor e sobre seus terminais a tensão fica estabilizada, conforme circuito abaixo.
Figura 76: Circuito típico de aplicação de um diodo zener
O resistor oferece a queda de tensão no circuito para que a saída tenha uma tensão menor que a entrada. Quando a tensão aplicada sobre o zener não é constante, deve-se considerar o maior valor possível, lembrando que se a tensão de entrada for menor que VZ o zener não irá regular a saída. A potência nominal do zener fornece um valor base para a maior corrente que deve atravessá-lo, enquanto seus terminais estiverem mantendo a tensão zener.
Por outro lado, para que o zener não saia da região de ruptura reversa e entre no bloqueio, é necessário que se mantenha uma corrente mínima fluindo por ele. Logo, deve-se considerar que a resistência RZ do circuito deve ter um valor máximo, para que o zener não bloqueie, e um valor mínimo, para que o mesmo não queime por sobrecorrente.
Para simplificar o estudo do dimensionamento do diodo zener, abaixo é apresentado um exemplo prático, com os devidos comentários.
Exemplo: deseja-se dimensionar um diodo zener que será ligado a um circuito cuja máxima tensão é de 20 V. O zener irá estabilizar a tensão em 12 V e a máxima corrente que deverá ser absorvida pela carga é de 250 mA.
Dimensione o diodo zener e o resistor a ser utilizado:
Primeiramente, deve-se determinar a tensão zener, que é a tensão de saída do circuito, ou seja:
𝑉𝑍 = 12 𝑉
O próximo passo é determinar qual deverá ser a potência mínima do diodo. Para isso, deve-se considerar que o diodo deverá manter uma corrente mínima quando a carga exigir a máxima corrente e suportar a corrente máxima quando a carga for desconectada, já que a corrente sobre RZ é praticamente constante. Lembrando que a corrente IR é constante, pode-se utilizar a seguinte expressão para chegar a IZmax.
𝐼𝑍𝑚𝑎𝑥 =𝐼𝑂𝑈𝑇𝑚𝑎𝑥 determinar a potência mínima do diodo, considerando que a potência máxima dissipada pelo diodo é o produto da tensão zener pela corrente máxima.
𝑃𝑍 = 𝑉𝑍∙ 𝐼𝑍𝑚𝑎𝑥 𝑃𝑍 = 12 ∙ 0,2941 = 3,5 𝑊
Neste momento deve-se escolher um zener com potência superior à calculada, preferencialmente com um fator de segurança de até 100% (como na potência do resistor). Neste caso, pode-se escolher um zener com 5,0 W de potência nominal. Assim, o zener será de 12 V e 5,0 W. Comercialmente pode ser utilizado o modelo 1N5349.
Considerando os 15%, a corrente mínima do zener será:
𝐼𝑍𝑚𝑖𝑛= 0,15 ∙ 𝐼𝑍𝑚𝑎𝑥
𝐼𝑍𝑚𝑖𝑛 = 0,15 ∙ 416,7 = 62,51 𝑚𝐴
Para dimensionar o resistor, utilizamos o conceito de que o zener possui corrente máxima quando IOUT é zero e corrente mínima quando IOUT é máxima.
Assim:
Consultando a tabela com os valores comerciais, chega-se facilmente a 22 Ω.
A potência dissipada pelo resistor será:
𝑃𝑅 =(𝑉𝐼𝑁− 𝑉𝑂𝑈𝑇)2 ela, pode-se considerar um resistor de 5,0 W também. Assim, a especificação do circuito será: potência calculada por 1,5 (50%) e utilizar maior ou mais próxima. Para efeitos de dimensionamento, são encontrados no mercado diodos zener de ¼, ½, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40 e 50 W.
8.2. Exercícios
1 – Qual é a diferença física entre um diodo zener e um diodo comum?
2 – Por que o diodo zener é polarizado reversamente?
3 – Qual é a principal aplicação para o diodo zener?
4 – Como é o símbolo de um diodo zener?
5 – Dimensione os componentes do circuito abaixo:
6 – Para o caso do exercício anterior, o que acontece se for escolhido um resistor de valor muito baixo?
7 – Para o caso do exercício 5, o que acontece se for escolhido um resistor de valor muito baixo?
8 – Dimensione um resistor e zener que deverão gerar 10 V a partir de uma fonte de 25 V, sendo que a máxima corrente de saída é de 1,0 A:
9 – Qual deve ser o resistor e o zener escolhidos para que, derivando de uma fonte de 24 V, seja obtida uma tensão de 12 V com no máximo 120 mA de corrente?
10 – Dimensione o resistor do circuito abaixo e verifique se a potência do zener é suficiente:
11 – Dimensione um circuito com um resistor e um zener que forneça 400 mA em 5,6 V derivado de uma fonte de 12 V:
12 – Dimensione um circuito com um resistor e um zener que forneça 650 mA em 18 V a partir de uma fonte de 100 V: