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Tutto quello che devi sapere sui diodi Zener
In molti circuiti elettronici, la stabilità della tensione è importante quanto la direzione della corrente. Un circuito potrebbe funzionare normalmente in condizioni ideali, ma picchi di tensione, fluttuazioni dell'alimentazione o livelli di riferimento instabili possono influire rapidamente sulle prestazioni o danneggiare componenti sensibili.
È qui che il diodo Zener diventa utile. Offre ai progettisti di circuiti un modo semplice per controllare il comportamento di breakdown inverso e mantenere un livello di tensione più prevedibile nel circuito.
Se non hai ancora molta familiarità con esso, questo articolo fornisce una guida base completa per aiutarti a iniziare.
Cos'è un diodo Zener
Un diodo Zener è un diodo a giunzione p-n appositamente drogato, progettato per funzionare in modo affidabile nella sua regione di breakdown inverso. In polarizzazione diretta, si comporta in modo molto simile a un diodo raddrizzatore al silicio standard: una volta che la tensione diretta è abbastanza alta, la corrente fluisce attraverso il diodo, con una tipica caduta di tensione diretta di circa 0,6-0,7 V per i dispositivi in silicio.
La differenza fondamentale si manifesta nella polarizzazione inversa. Un diodo a giunzione p-n standard viene normalmente utilizzato per bloccare la corrente inversa, e un'eccessiva tensione inversa potrebbe danneggiarlo. Un diodo Zener, invece, è progettato per condurre in sicurezza quando la tensione inversa raggiunge il suo valore di breakdown specificato, noto come tensione Zener o tensione di breakdown.
A questo punto, il diodo Zener consente il passaggio della corrente inversa mantenendo la tensione ai suoi capi relativamente stabile, a condizione che la corrente e la dissipazione di potenza rimangano entro i limiti nominali del dispositivo.
La tensione Zener, solitamente indicata con VZ, è definita in condizioni specificate di corrente di test e temperatura. Il suo valore dipende da fattori quali il livello di drogaggio, il materiale semiconduttore e la geometria del dispositivo.
Caratteristiche Elettriche di un Diodo Zener
Consideriamo la curva I-V del diodo Zener sottostante:
La regione di conduzione mostra il tipico aumento esponenziale della corrente del diodo che segue l'equazione del diodo.
In modalità polarizzazione inversa, la corrente di perdita è piccola fino al ginocchio di breakdown (tensione Zener), dopo di che la corrente aumenta rapidamente mentre la tensione rimane vicina a VZ.
Un diodo Zener è fortemente drogato per ridurre la tensione di rottura inversa. Questo, naturalmente, provoca uno strato di svuotamento molto sottile. Di conseguenza, un diodo Zener ha una tensione di rottura inversa VZ netta. Questo è chiaramente illustrato dalla caratteristica inversa del diodo Zener mostrata nella figura sopra. Osserva che la caratteristica inversa scende in modo quasi verticale alla tensione inversa VZ.
Possiamo dedurre chiaramente dalla curva che accadono due cose quando si raggiunge la VZ.
- La corrente del diodo aumenta rapidamente.
- La tensione inversa VZ attraverso il diodo rimane quasi costante.
In altre parole, il diodo Zener che opera in questa regione avrà una tensione relativamente costante ai suoi capi, indipendentemente dal valore della corrente che lo attraversa. Questo permette al diodo Zener di essere utilizzato come regolatore di tensione.
La tensione Zener VZ varia con la temperatura. I diodi Zener a bassa tensione di circa 2,4–5,6 V hanno spesso un coefficiente di temperatura negativo dovuto all'effetto tunnel Zener, mentre i dispositivi ad alta tensione mostrano un coefficiente positivo (dominato dall'avalanche). I produttori di solito forniscono i tipici valori in mV/°C nei datasheet.
Come vengono utilizzati i diodi Zener
Diodo Zener come regolatore di tensione
Questo è l'uso più comune, dove il diodo Zener è collegato in polarizzazione inversa ai capi del carico con una resistenza in serie dall'alimentazione. Quando il diodo Zener funziona nella regione di breakdown o Zener, la tensione ai suoi capi è sostanzialmente costante per una grande variazione di corrente che lo attraversa.
Di seguito è riportato un tipico circuito di un regolatore a diodo Zener:
A condizione che la tensione Vin sia maggiore della tensione Zener Vz, il diodo Zener opera nella regione di breakdown e mantiene una tensione costante attraverso il carico. In questo caso, la resistenza limitatrice in serie Rs limita la corrente di ingresso.
Principio
Con riferimento alla figura sopra, il funzionamento del regolatore di tensione a diodo Zener può essere descritto come segue:
Il diodo Zener manterrà una tensione costante ai capi del carico indipendentemente dalle variazioni della corrente di carico o della tensione di ingresso. All'aumentare della corrente di carico, la corrente del diodo Zener diminuisce in modo che la corrente attraverso la resistenza Rs rimanga costante.
Poiché la tensione di uscita = Vin – IRs e I è costante, la tensione di uscita rimane invariata. Verrà vero il contrario se la corrente di carico diminuisce.
Questo circuito effettuerà anche delle correzioni per le variazioni delle tensioni di ingresso. Se la tensione di ingresso Vin aumenta, scorrerà più corrente attraverso il diodo Zener, l'aumento della caduta di tensione attraverso Rs aumenterà ma la tensione di carico rimarrebbe costante. Viceversa, se la tensione di ingresso diminuisse.
Limitazioni
Ha bassa efficienza per correnti di carico elevate. Ciò è dovuto al fatto che se la corrente di carico è grande, ci sarà una considerevole perdita di potenza nella resistenza serie limitatrice.
Inoltre, la tensione di uscita varia leggermente a causa delle impedenze dello Zener (Zz) come Vout = Vz + IzZz. Le variazioni delle correnti di carico producono variazioni nella corrente del diodo Zener. Di conseguenza, anche la tensione di uscita varia.
Pertanto, l'utilizzo di questo circuito è limitato solo ad applicazioni in cui la variazione della corrente di carico e della tensione di ingresso è piccola.
Condizioni
Quando un diodo Zener è collegato in un circuito per la regolazione della tensione, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:
Il diodo Zener deve operare nella regione di breakdown o regione di regolazione, cioè tra Iz(max) e Iz(min). La corrente IZ(min) è generalmente 10 mA ed è la corrente Zener minima per mettere il diodo Zener nello stato ON, ovvero nella regione di regolazione. La corrente Iz(max) è la corrente Zener massima che un diodo Zener può condurre senza essere distrutto a causa del calore eccessivo.
Il diodo Zener non deve superare la massima potenza di dissipazione; altrimenti, verrà distrutto a causa del calore eccessivo. Se la massima dissipazione di potenza di uno Zener è Pz(max) e la tensione Zener è VZ allora: Pz(max)= VZIz(max), quindi Iz(max) = Pz(max)/VZ
C'è un valore minimo di RL per garantire che il diodo Zener rimanga nella regione di regolazione nella regione di breakdown. Se il valore di RL scende al di sotto di questo valore minimo, la tensione corretta non sarà disponibile ai capi dello Zener per portarlo nella regione di breakdown.
Circuito di protezione da sovratensione con diodo Zener
I diodi Zener possono essere posizionati attraverso ingressi sensibili o binari di alimentazione per limitare i picchi transitori e contribuire a proteggere i componenti da condizioni di sovratensione.
Considera il circuito sottostante:
Se una tensione eccessiva viene applicata al jack, ad esempio tramite un alimentatore a spina con una valutazione errata, il diodo Zener condurrà fino a quando il fusibile non si brucerà.
La tensione di breakdown del diodo Zener dovrebbe essere leggermente superiore alla tensione massima tollerabile che il carico può sopportare.
In questo caso, si può impiegare un fusibile ad azione rapida o lenta, a seconda della sensibilità del carico.
Le specifiche di corrente e tensione del fusibile devono essere selezionate in base ai limiti previsti dell'applicazione.
È importante notare che altri progetti simili di protezione da sovratensione utilizzano dispositivi speciali, ad esempio soppressori di tensione transitoria (TVS) e varistori. Queste alternative sono più economiche e ampiamente impiegate nella progettazione di dispositivi elettronici.
Diodi Zener usati come potenziatore di regolatore di tensione
I diodi Zener possono essere applicati per innalzare il livello di un regolatore di tensione e ottenere diverse uscite di tensione regolate.
Considera il circuito sottostante:
Ad esempio, nel circuito sopra, diodi zener da 3 V e 6 V sono collegati in serie per elevare il riferimento di terra di un IC di regolazione da 5 V a 9 V, per un totale di 14 V.
È importante notare che, nei progetti reali, potrebbero essere necessari condensatori all'ingresso e all'uscita.
Diodi Zener utilizzati come ritagliatori e limitatori di forma d'onda
Due diodi Zener opposti possono essere utilizzati per limitare entrambe le semionde di un segnale in ingresso.
Considera il circuito sottostante:
Con riferimento alla figura sopra, l'onda sinusoidale viene convertita in un'onda quasi quadra.
Oltre a rimodellare una forma d'onda, questo arrangiamento illustrato sopra può anche essere posizionato ai terminali di uscita di un alimentatore DC per impedire a transitori di tensione indesiderati di raggiungere un carico collegato. Le tensioni di breakdown in quel caso devono essere maggiori della tensione di alimentazione ma inferiori alla tensione transitoria massima ammissibile.
Il soppressore di transienti bidirezionale (TVS) singolo può anche essere utilizzato per raggiungere lo stesso scopo.
Considerazioni di progettazione per i diodi Zener
Selezione VZ e potenza nominale
Per la regolazione della tensione, scegliere VZ vicina alla tensione di uscita richiesta. Per la protezione da sovratensione, scegliere VZ al di sopra della normale tensione operativa ma al di sotto della tensione massima che il carico può tollerare in sicurezza.
Assicurati che vengano presi in considerazione la tolleranza e il coefficiente di temperatura, poiché la tensione Zener effettiva può variare in base alla corrente operativa, alla temperatura e alla tolleranza del dispositivo.
Selezionare una potenza nominale in modo che la dissipazione di potenza nel caso peggiore, VZ × IZ(max), rimanga al di sotto di PZ(max), con un margine sufficiente per la temperatura ambiente e le condizioni termiche.
Resistore in serie per regolatore a derivazione
Per una tensione di alimentazione VS, una corrente di carico IL, una tensione Zener desiderata VZ e una corrente Zener selezionata IZ, il resistore in serie può essere stimato come:
RS = (VS – VZ) / (IL + IZ)
Scegliere IZ in modo che il diodo Zener rimanga in regolazione a carico minimo e non superi la sua corrente massima consentita alla tensione di alimentazione massima. Questa corrente può essere di pochi mA per alcuni diodi Zener a piccolo segnale e maggiore per i diodi Zener di potenza, a seconda del dispositivo. Controllare sempre il datasheet.
Rumore e Ripple
I diodi Zener producono generalmente rumore e hanno una resistenza dinamica finita, quindi non sono ideali per riferimenti a basso rumore. Per ridurre l'ondulazione, un condensatore di bypass può essere aggiunto in parallelo al diodo Zener. Per requisiti a basso rumore o di alta precisione, un riferimento a bandgap o un IC di riferimento di tensione di precisione è solitamente una scelta migliore.
Alternative agli diodi Zener
Ci sono una serie di componenti che possono essere considerati alternative ai diodi Zener, a seconda dell'applicazione.
- Riferimenti a bandgap: Forniscono tensioni di riferimento stabili, spesso intorno a 1,2 V, con bassa deriva di temperatura e minor rumore. Sono comunemente utilizzati quando è richiesta precisione.
- IC di riferimento di tensione di precisione: offre maggiore accuratezza, minore deriva e minore rumore rispetto ai diodi Zener, ma con costi e complessità circuitale maggiori.
- Regolatori lineari, LDO e regolatori switching: Solitamente preferiti per una regolazione efficiente della tensione a correnti più elevate.
Utilizzare un LDO o un IC regolatore quando sono richiesti buona regolazione del carico, rapida risposta ai transienti, controllo di abilitazione/spegnimento, spegnimento termico, limitazione di corrente, soft-start, sequencing o un'uscita stabile con un numero minimo di componenti esterni. I semplici circuiti di regolazione Zener non forniscono queste funzioni.
Vantaggi e Limitazioni dei Diodi Zener
Vantaggi:
- I diodi Zener sono semplici, economici e ampiamente disponibili in molte tensioni e potenze, il che li rende una buona scelta per gli hobbisti che lavorano a semplici progetti elettronici.
- Le loro piccole dimensioni consentono di utilizzarli in circuiti più piccoli.
Limitazioni:
- I diodi Zener sono inefficienti per correnti di carico da moderate ad alte (la regolazione shunt di solito spreca corrente).
- I diodi Zener hanno una precisione e una stabilità limitate rispetto ai riferimenti dedicati.
- Sono dipendenti dalla temperatura e rumorosi, quindi non sono una buona scelta per applicazioni a basso rumore o dove l'alta efficienza è fondamentale.
Considerazioni finali
Un diodo Zener può essere un piccolo componente, ma la sua selezione può influire sulla stabilità della tensione, sulla protezione del circuito e sull'affidabilità a lungo termine del prodotto. Nei progetti reali di PCB e PCBA, capire come funziona il dispositivo è solo il primo passo; utilizzare componenti originali e correttamente dimensionati è altrettanto importante.
A PCBCool, supportiamo progetti di assemblaggio PCB con approvvigionamento di componenti e servizi di revisione BOM. Noi reperiamo i componenti solo da fornitori autorizzati e affidabili per aiutare a ridurre il rischio di parti contraffatte o di bassa qualità nella produzione.
Domande frequenti
Quando il BGA principale, la memoria o l'interfaccia ad alta densità non possono essere instradati in modo pulito con fori passanti convenzionali. Se il routing di fuga inizia a forzare strati aggiuntivi, dimensioni della scheda più grandi o geometria di traccia rischiosa, l'HDI dovrebbe essere rivisto precocemente.
La prova pilota ha confermato se l'intera catena produttiva potesse supportare il progetto, non solo se un singolo campione potesse essere realizzato. Ha fornito al cliente dati reali su resa e consegna prima di impegnarsi nella produzione mensile.
John è uno specialista esperto di sistemi elettrici, strumentazione, automazione di processo e controllo industriale. Ha maturato esperienza nell'installazione di apparecchiature, manutenzione, collaudo in fabbrica e messa in servizio, offrendogli una visione pratica su come i sistemi industriali si comportano nei reali ambienti operativi.
