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Tout ce que vous devez savoir sur les diodes Zener
Dans de nombreux circuits électroniques, la stabilité de la tension est tout aussi importante que la direction du courant. Un circuit peut fonctionner normalement dans des conditions idéales, mais les surtensions, les fluctuations d'alimentation ou les niveaux de référence instables peuvent rapidement affecter les performances ou endommager les composants sensibles.
C'est là que la diode Zener devient utile. Elle offre aux concepteurs de circuits un moyen simple de contrôler le comportement en claquage inverse et de maintenir un niveau de tension plus prévisible dans le circuit.
Si vous n'en êtes pas encore très familier, cet article vous propose un guide complet et élémentaire pour vous aider à démarrer.
Qu'est-ce qu'une diode Zener
Une diode Zener est une diode à jonction p-n spécialement dopée, conçue pour fonctionner de manière fiable dans sa région de claquage en inverse. En polarisation directe, elle se comporte de manière très similaire à une diode redresseuse au silicium standard : une fois la tension directe suffisamment élevée, le courant traverse la diode, avec une chute de tension directe typique d'environ 0,6–0,7 V pour les dispositifs en silicium.
La différence essentielle apparaît en polarisation inverse. Une diode à jonction p-n standard est normalement utilisée pour bloquer le courant inverse, et une tension inverse excessive peut l'endommager. Une diode Zener, en revanche, est conçue pour conduire en toute sécurité lorsque la tension inverse atteint sa valeur de claquage spécifiée, connue sous le nom de tension Zener ou tension de claquage.
À ce stade, la diode Zener permet au courant inverse de circuler tout en maintenant la tension à ses bornes relativement stable, tant que le courant et la dissipation de puissance restent dans les limites nominales de l'appareil.
La tension de Zener, généralement notée VZ, est définie dans des conditions spécifiées de courant de test et de température. Sa valeur dépend de facteurs tels que le niveau de dopage, le matériau semi-conducteur et la géométrie du dispositif.
Caractéristiques électriques d'une diode Zener
Considérons la courbe caractéristique courant-tension (I-V) de la diode Zener ci-dessous :
La région directe montre la montée exponentielle standard du courant de la diode qui suit l'équation de la diode.
En mode de polarisation inverse, le courant de fuite est faible jusqu'au genou de claquage (tension Zener), après quoi le courant augmente rapidement tandis que la tension reste proche de VZ.
Une diode Zener est fortement dopée pour réduire la tension de claquage en inverse. Cela provoque bien entendu une couche de déplétion très mince. Par conséquent, une diode Zener possède une tension de claquage en inverse VZ nette. Ceci est clairement illustré par la caractéristique inverse de la diode Zener dans la figure ci-dessus. Il convient de noter que la caractéristique inverse chute de manière presque verticale à la tension inverse VZ.
Nous pouvons clairement déduire de la courbe que deux choses se produisent lorsque la tension Z est atteinte.
- Le courant de la diode augmente rapidement.
- La tension inverse VZ aux bornes de la diode reste quasiment constante.
Autrement dit, la diode Zener fonctionnant dans cette région présentera une tension relativement constante à ses bornes, indépendamment de la valeur du courant la traversant. Cela permet d'utiliser la diode Zener comme régulateur de tension.
La tension Zener VZ varie avec la température. Les diodes Zener basse tension (~2,4 – 5,6 V) ont souvent un coefficient de température négatif en raison de l'effet tunnel Zener, tandis que les dispositifs à tension plus élevée présentent un coefficient positif (dominé par l'avalanche). Les fabricants fournissent généralement les valeurs typiques en mV/°C sur les fiches techniques.
Comment sont utilisées les diodes Zener
Diode Zener comme régulateur de tension
C'est l'utilisation la plus courante, où la diode Zener est connectée en inverse à travers la charge avec une résistance série provenant de l'alimentation. Lorsque la diode Zener est utilisée dans la zone de claquage ou zone Zener, la tension à ses bornes est sensiblement constante malgré une large variation du courant qui la traverse.
Un schéma typique d'un régulateur à diode Zener est présenté ci-dessous :
Pourvu que la tension d'entrée Vin soit supérieure à la tension Zener Vz, la diode Zener fonctionne dans sa zone de rupture et maintient une tension constante aux bornes de la charge. Dans ce cas, la résistance série limitatrice Rs limite le courant d'entrée.
Principe
En référence à la figure ci-dessus, le fonctionnement du régulateur de tension à diode Zener peut être décrit comme suit :
La diode Zener maintiendra une tension constante aux bornes de la charge, quelles que soient les variations du courant de charge ou de la tension d'entrée. Lorsque le courant de charge augmente, le courant de la diode Zener diminue de telle sorte que le courant traversant la résistance Rs reste constant.
Comme la tension de sortie = Vin – IRs et que le courant I est constant, la tension de sortie reste inchangée. L'inverse sera vrai si le courant de charge diminue.
Ce circuit apportera également des corrections pour les variations des tensions d'entrée. Si la tension d'entrée Vin augmente, un courant plus important circulera à travers la diode Zener, la chute de tension aux bornes de Rs augmentera mais la tension de charge restera constante. Le contraire se produirait si la tension d'entrée diminuait.
Limites
Elle présente une faible efficacité pour les courants de forte charge. En effet, si le courant de charge est important, il y aura une perte de puissance considérable dans la résistance série limitante.
De plus, la tension de sortie varie légèrement en raison des impédances Zener (Zz) selon la formule Vout = Vz + IzZz. Les variations des courants de charge entraînent des variations du courant de la diode Zener. Par conséquent, la tension de sortie varie également.
Par conséquent, l'utilisation de ce circuit est limitée aux applications où la variation du courant de charge et de la tension d'entrée est faible.
Conditions
Lorsqu'une diode Zener est connectée dans un circuit pour la régulation de tension, les conditions suivantes doivent être remplies :
La diode Zener doit fonctionner dans la zone de rupture ou zone de régulation, c'est-à-dire entre Iz(max) et Iz(min). Le courant Iz(min), généralement de 10 mA, est le courant Zener minimum requis pour placer la diode Zener à l'état passant, c'est-à-dire dans la zone de régulation. Le courant Iz(max) est le courant Zener maximum qu'une diode Zener peut supporter sans être détruite par surchauffe.
La diode Zener ne doit pas dépasser sa puissance de dissipation maximale, sinon elle sera détruite par un échauffement excessif. Si le pouvoir de dissipation maximal d'une diode Zener est Pz(max) et que sa tension Zener est VZ, alors : Pz(max) = VZIz(max), donc Iz(max) = Pz(max)/VZ.
Il existe une valeur minimale de RL pour s'assurer que la diode Zener restera dans la zone de régulation dans la région de claquage. Si la valeur de RL tombe en dessous de cette valeur minimale, la tension appropriée ne sera pas disponible aux bornes du Zener pour l'amener dans la région de claquage.
Circuit de protection contre les surtensions à diode Zener
Les diodes Zener peuvent être placées en parallèle avec des entrées sensibles ou des rails d'alimentation pour écrêter les pics transitoires et aider à protéger les composants contre les surtensions.
Considérez le circuit ci-dessous :
Si une tension excessive est appliquée à la prise, par exemple via un adaptateur secteur de puissance incorrectement évaluée, la diode Zener conduira jusqu'à ce que le fusible saute.
La tension de claquage de la diode Zener doit être légèrement supérieure à la tension maximale tolérable par la charge.
Dans ce cas, un fusible à action rapide ou à action lente peut être utilisé, selon la sensibilité de la charge.
Les calibres de courant et de tension du fusible doivent être sélectionnés en fonction des limites attendues de l'application.
Il est important de noter que d'autres conceptions similaires de protection contre les surtensions utilisent des dispositifs spéciaux, par exemple, des dispositifs à suppression de tension transitoire (TVS) et des varistances. Ces alternatives sont moins chères et largement utilisées dans la conception des appareils électroniques.
Diodes Zener utilisées comme régulateur de tension amplificateur
Les diodes Zener peuvent être utilisées pour élever le niveau d'un régulateur de tension et obtenir différentes tensions de sortie régulées.
Considérez le circuit ci-dessous :
Par exemple, dans le circuit ci-dessus, des diodes Zener de 3 V et 6 V sont placées en série pour élever la masse de référence d'un circuit intégré régulateur de 5 V à 9 V, pour un total de 14 V.
Il est important de noter que, dans les conceptions réelles, des condensateurs peuvent être nécessaires à l'entrée et à la sortie.
Diodes Zener utilisées comme limiteurs et écrêteurs de forme d'onde
Deux diodes Zener opposées peuvent être utilisées pour écrêter les deux moitiés d'un signal d'entrée.
Considérez le circuit ci-dessous :
En référence à la figure ci-dessus, l'onde sinusoïdale est convertie en une onde proche d'une onde carrée.
Outre le fait de remodeler une forme d'onde, l'arrangement illustré ci-dessus peut également être placé aux bornes de sortie d'une alimentation CC pour empêcher les transitoires de tension indésirables d'atteindre une charge connectée. Les tensions de claquage doivent dans ce cas être supérieures à la tension d'alimentation mais inférieures à la tension transitoire admissible maximale.
Une diode TVS bidirectionnelle peut également être utilisée pour atteindre le même objectif.
Considérations de conception pour les diodes Zener
Sélection du calibre et de la puissance nominale
Pour la régulation de tension, choisir une Zener VZ proche de la tension de sortie requise. Pour la protection contre les surtensions, choisir une Zener VZ supérieure à la tension de fonctionnement normale mais inférieure à la tension maximale que la charge peut supporter en toute sécurité.
Assurez-vous de tenir compte de la tolérance et du coefficient de température, car la tension Zener réelle peut varier en fonction du courant de fonctionnement, de la température et de la tolérance du dispositif.
Sélectionnez une puissance nominale de sorte que la dissipation de puissance dans le pire des cas, VZ × IZ(max), reste inférieure à PZ(max), avec une marge suffisante pour la température ambiante et les conditions thermiques.
Résistance série pour régulateur shunt
Pour une tension d'alimentation VS, un courant de charge IL, une tension Zener désirée VZ et un courant Zener sélectionné IZ, la résistance série peut être estimée comme suit :
RS = (VS – VZ) / (IL + IZ)
Choisissez IZ de manière à ce que la diode Zener reste en régulation à charge minimale et ne dépasse pas son courant maximal admissible à la tension d'alimentation maximale. Ce courant peut être de quelques mA pour certaines diodes Zener de petit signal et plus élevé pour les diodes Zener de puissance, en fonction du dispositif. Consultez toujours la fiche technique.
Bruit et ondulation
Les diodes Zener produisent généralement du bruit et ont une résistance dynamique finie, elles ne sont donc pas idéales pour les références à faible bruit. Pour réduire l'ondulation, un condensateur de dérivation peut être ajouté en parallèle avec la diode Zener. Pour des exigences de faible bruit ou de haute précision, une référence à bande interdite (bandgap) ou un circuit intégré de référence de tension de précision est généralement un meilleur choix.
Alternatives aux diodes Zener
Il existe un certain nombre de composants qui peuvent être considérés comme des alternatives aux diodes Zener, en fonction de l'application.
- Références de bande interdite : Fournissent des tensions de référence stables, souvent autour de 1,2 V, avec une faible dérive en température et un bruit réduit. Elles sont couramment utilisées lorsque la précision est requise.
- Référence de tension de précision CI : offre une meilleure précision, une dérive plus faible et un bruit réduit par rapport aux diodes Zener, mais avec un coût et une complexité de circuit plus élevés.
- Régulateurs linéaires, LDO et régulateurs à découpage : Généralement préférés pour une régulation de tension efficace à des courants plus élevés.
Utilisez une puce LDO ou régulatrice lorsqu'une bonne régulation de charge, une réponse transitoire rapide, un contrôle d'activation/d'arrêt, un arrêt thermique, une limitation de courant, un démarrage progressif, une séquence, ou une sortie stable avec un minimum de composants externes est requise. Les circuits régulateurs Zener simples ne fournissent pas ces fonctions.
Avantages et limitations des diodes Zener
Avantages :
- Les diodes Zener sont simples, peu coûteuses et largement disponibles dans de nombreuses tensions et puissances nominales, ce qui en fait un bon choix pour les amateurs travaillant sur des projets électroniques simples.
- Leur petite taille leur permet d'être utilisés dans des circuits plus petits.
Limitations :
- Les diodes Zener sont inefficaces pour des courants de charge modérés à élevés (la régulation shunt dissipe généralement du courant).
- Les diodes Zener ont une précision et une stabilité limitées par rapport aux références dédiées.
- Ils sont dépendants de la température et bruyants, ce qui en fait un mauvais choix pour un faible bruit ou lorsque une efficacité élevée est primordiale.
Pensées finales
Une diode Zener peut être un petit composant, mais sa sélection peut affecter la stabilité de la tension, la protection du circuit et la fiabilité à long terme du produit. Dans les projets réels de PCB et de PCBA, comprendre le fonctionnement de l'appareil n'est que la première étape ; l'utilisation de composants authentiques et correctement spécifiés est tout aussi importante.
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FAQ
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John est un spécialiste expérimenté des systèmes électriques, de l'instrumentation, de l'automatisation des processus et du contrôle industriel. Il a travaillé sur l'installation, la maintenance, les essais en usine et la mise en service d'équipements, ce qui lui confère une connaissance pratique du fonctionnement des systèmes industriels en conditions opérationnelles réelles.
