Dioda Zener

De la început trebuie să precizăm că dioda Zener face parte din familia diodelor semiconductoare cu siliciu, cu deosebirea că ea se utilizează în porțiunea inversă a caracteristicii (deci în polarizare inversă), anume în zona de avalanșă a caracteristicii tensiune-curent. La diodele cu siliciu, această zonă corespunde unui domeniu relativ larg de variație a curentului invers și, respectiv, unui domeniu restrâns de variație a tensiunii inverse. Cu alte cuvinte, variații mari ale curentului invers corespund unor variații mici ale tensiunii aplicate diodei. În plus, curentul invers are valori extrem de mici până în imediata vecinătate a cotului caracteristicii, iar în zona de avalanșă valorile sale sunt de același ordin de mărime cu ale curentului direct.

Diodele Zener se caracterizează prin aceea că prezintă o curbură mai pronunțată în cotul caracteristicii, adică efectul stabilizării de tensiune descris mai sus este mult mai accentuat decât la diodele de uz general (fig. 1). Porțiunea directă a caracteristicii tensiune-curent este asemănătoare cu cea de la diodele obișnuite.

Altfel spus, în polarizare directă, dioda Zener se comportă ca o diodă obișnuită, deci poate fi verificată, măsurată și utilizată ca atare.

Simbolul diodei Zener este cel din fig. 2, în unele reviste străine se mai întâlnește adeseori și simbolul din fig. 3.

Diodele stabilizatoare se numesc uneori și diode de referință, denumire justificată prin faptul că în majoritatea cazurilor ele se utilizează pentru obținerea unor etaloane de tensiune continuă, a unor potențiale de referință.

Înainte de a vedea cum se obține practic stabilizarea de tensiune, este necesar să amintim principalii parametri care caracterizează o diodă Zener.

Tensiunea Zener nominală (sau normală sau de referință), notată \(V_{ZN}\) (sau \(U_{ZN}\) sau \(V_{Z}\) sau \(U_{Z}\)), este, din punct de vedere practic, parametrul cel mai important de cunoscut. Ea reprezintă valoarea tensiunii inverse corespunzătoare zonei de avalanșă a caracteristicii, adică porțiunii în care graficul are o pantă aproape verticală. Tensiunea nominală se exprimă în volți, putând avea valori, în funcție de tipul diodei, de la cca 3 V până la 200 V. Ea indică valoarea centrală a tensiunii sale, tensiunea nominală este inclusă chiar în denumirile unor tipuri de diode Zener, ca de exemplu la seriile DZ și PL. Astfel, dioda PL6V8Z are tensiunea nominală de 6,8 V, dioda PL12Z are tensiunea nominală de 12 V, dioda 4 DZ 10 este de 10 V (cifra din față indică puterea de disipație, respectiv 4 W) etc.

Alături de tensiunea Zener nominală, în cataloage mai sunt date uneori și valorile \(V_{Z\text{min}}\) și \(V_{Z\text{max}}\), respectiv tensiunea Zener minimă și maximă. De obicei, toleranța de fabricație pentru tensiunea nominală este de 5% sau 10%.

Puterea de disipație maximă este un alt parametru important de care se ține cont la alegerea unei diode Zener. La ora actuală se fabrică diode Zener cu puteri de disipație de la câteva sute de miliwați până la zeci de wați. Cele mai frecvent utilizate sunt diodele de 1 W din seriile PL și 1N. Ca și la celelalte dispozitive electronice, puterea de disipație maximă reprezintă o măsură a capacității de a ceda (împrăștia) căldura rezultată prin funcționare (efectul Joule). Ea depinde de dimensiunile joncțiunii și de tehnologia de fabricație, de forma capsulei. Este important de reținut că la diodele cu dimensiuni mici (de exemplu, seria PL în capsulă din epoxid) terminalele au un aport substanțial în transferul de căldură și de aceea ele nu se vor scurta, pe cât posibil, atunci când diodele lucrează în condiții grele.

Coeficientul de temperatură al tensiunii nominale, \(\alpha _{VZN}\), exprimă variația relativă a tensiunii de referință pentru o variație de 1 °C a temperaturii ambiante:

Coeficientul termic poate avea valori pozitive (tensiunea de referință crește cu creșterea temperaturii) sau negative (tensiunea scade cu creșterea temperaturii). De regulă, el este cuprins în intervalul orientativ (10 la puterea -5 … 10 la puterea -3) / grad Celsius. Valorile de catalog ale tensiunii nominale sunt exprimate la temperatura de 25 grade Celsius.

Curentul Zener nominal, IZ (sau IZN), este un parametru esențial pentru aplicațiile practice cu diode stabilizatoare, în funcție de el alegându-se valorile rezistențelor serie de limitare. Valorile lui IZ variază de la câțiva miliamperi până la sute de miliamperi, în funcție de tipul diodei. În cataloage sunt date, alături de IZ, și valorile Izm și IZM, respectiv curentul Zener minim (de la care începe să se manifeste efectul de stabilizare) și maxim admisibil (prin a cărui depășire se periclitează integritatea dispozitivului).

Rezistența dinamică, Rd, se definește ca la diodele obișnuite prin raportul dintre variațiile de tensiune și de curent în vecinătatea unui punct de pe caracteristică:
Rd = delta U / delta I

Ea poate avea valori de la câteva fracțiuni de ohm și până la sute de ohmi (cele cu tensiuni nominale mari). Efectul stabilizării de tensiune este cu atât mai eficient cu cât rezistența dinamică este mai mică. O stabilizare ideală s-ar obține pentru Rd = 0, când porțiunea de avalanșă a caracteristicii ar fi perfect verticală.

În tabelul publicat sint date câteva tipuri mai des utilizate de diode Zener fabricate la noi în țară (după Catalogul I.P.R.S.-Băneasa). O largă răspândire au cunoscut în ultima vreme diodele din seria PL, cu capsulă din epoxid, având dimensiunile indicate în fig. 4. Ele sunt marcate prin imprimarea tipului pe capsulă și a unui inel în apropierea catodului (terminalul de lângă inelul de vopsea se conectează la plus).

Dacă avem o diodă Zener cu marcajul șters sau de tip necunoscut, înainte de a o utiliza este necesar să-i identificăm terminalele, să o verificăm ca diodă și apoi să-i măsurăm tensiunea de referință.

Verificarea joncțiunii se face ca la diodele obișnuite, cu ajutorul ohmmetrului, cu voltmetrul sau cu un tester adecvat (vezi “Tehnium” nr. 8 și 9/1979). Într-un sens joncțiunea conduce, acesta corespunzând polarizării directe, când căderea de tensiune la bornele diodei este de 0,5-0,7 V; în sensul invers, dioda este blocată, deschizându-se numai prin aplicarea la bornele sale a unei tensiuni egale cu VZN. Acesta din urmă corespunde polarizării inverse și este sensul în care trebuie conectată dioda pentru a funcționa ca stabilizatoare de tensiune.

Pentru a înțelege funcționarea diodei Zener ca stabilizatoare de tensiune, să urmărim figura 5. La sursa de tensiune continuă, reglabilă, Ui, este conectată dioda Zener DZ, în serie cu o rezistență de limitare, R. În paralel pe diodă este montat un voltmetru având rezistența internă suficient de mare pentru a putea neglija curentul absorbit de el în timpul măsurătorilor.

Să presupunem că sursa este pusă la început pe o valoare Ui inferioară tensiunii de referință Uz a diodei. După cum s-a văzut din caracteristica inversă tensiune-curent (fig. 1, nr. trecut), în aceste condiții dioda prezintă o rezistență foarte mare, deci este străbătută de un curent foarte mic, neglijabil. Voltmetrul va indica aproximativ tensiunea sursei, Ui, din care se scade căderea mică pe rezistența R înseriată cu el.

Pe măsură ce creștem tensiunea de intrare, mai precis în imediata apropiere a valorii tensiunii de referință Uz, dioda începe să conducă semnificativ. Tensiunea indicată de voltmetru crește corespunzător până la valoarea Uz, după care staționează, chiar dacă mărim în continuare tensiunea de intrare. Cu alte cuvinte, în aceste condiții s-a obținut la bornele diodei o tensiune stabilizată la valoarea Uz. Creșterea suplimentară a tensiunii de intrare conduce la mărirea proporțională a curentului prin diodă, fără însă a-i modifica semnificativ tensiunea la borne (vezi fig. 1).

O primă concluzie care se poate trage este că, pentru a se obține o tensiune stabilizată Uz, montajul trebuie să fie alimentat cu o tensiune de intrare Ui mai mare ca Uz. Diferența Ui – Uz este preluată de rezistența de limitare R și această diferență este practic tensiunea care dictează curentul Iz prin diodă (deoarece până la Ui = Uz dioda rămâne blocată).

Să luăm un exemplu concret, și anume să presupunem Ui = 12 V, Uz = 8,2 V, R = 200 Ohm. Diferența Ui – Uz va fi de 3,8 V, iar curentul prin diodă Iz este aproximativ egal cu:
(Ui – Uz) / R = 3,8 V / 200 Ohm = 19 mA (am neglijat rezistența diodei, mică în comparație cu R, precum și curentul prin instrument )

Concluzia precedentă atrage în mod firesc întrebarea: Cu cât anume trebuie să fie Ui mai mare ca Uz pentru a se menține efectul de stabilizare? Altfel spus, între ce limite ale tensiunii de intrare Ui, dioda poate menține la bornele sale tensiunea aproximativ constantă Uz? Răspunsul este conținut în definițiile celor doi curenți limită ai diodei, Izmin și Izmax. Astfel, efectul de stabilizare începe (devine utilizabil) de la valoarea Iz = Izmin și este asigurat, fără a pune în pericol integritatea joncțiunii, până la valoarea Iz = Izmax. Atunci când curentul Iz prin diodă este mai mic ca Izmin dioda nu stabilizează, adică tensiunea la bornele sale variază pronunțat cu Ui. Dacă, dimpotrivă, curentul prin diodă este mai mare ca Izmax, dioda stabilizează, dar ea funcționează într-o regiune periculoasă a caracteristicii, riscând în orice moment străpungerea joncțiunii prin fenomenul de avalanșă.

Cunoscând valoarea rezistenței R, din relația aproximativă Ui – Uz = R * Iz, se pot ușor calcula limitele admise pentru tensiunea de intrare:
Uimin = Uz + R * Izmin respectiv Uimax = Uz + R * Izmax

Invers, dacă se cunosc limitele de variație pentru tensiunea de intrare, Uimin și Uimax, rezistența de limitare R poate fi luată între valorile extreme:
Rmin = (Uimax – Uz) / Izmax și Rmax = (Uimin – Uz) / Izmin

Reamintim că mărimile Izmin, Izmax și Uz sunt caracteristice pentru fiecare tip de diodă Zener, fiind date în cataloage.

Nu vom da un exemplu numeric de oarecare analiză de mai sus a făcut abstracție de curentul absorbit de instrument. Cum este și firesc însă, stabilizarea de tensiune se face pentru a utiliza această tensiune, adică pentru a alimenta un consumator oarecare, Rs, cu sursa de tensiune stabilizată Uz obținută la bornele diodei (fig. 6). Presupunem că ne aflăm în condiții de stabilizare, adică Ui mai mare ca Uz și Izmin mai mic decât Iz, care este mai mic decât Izmax. Curentul total I debitat de sursa de alimentare se ramifică în componentele Iz (prin diodă) și Is (prin rezistența de sarcină). Tensiunea la bornele consumatorului va fi egală cu tensiunea de referință a diodei, Us = Uz, diferența Ui – Uz fiind și aici preluată de rezistența R. Curentul prin sarcină, Is, poate fi ușor calculat din legea lui Ohm: Us = Uz = Rs * Is. De pildă, păstrând valorile numerice ale exemplu-lui precedent și luând Rs = 1 kOhm, rezultă:
Is = 8,2 V / 1000 Ohm = 8,2 mA.

Numai că de data aceasta curentul Iz prin diodă nu va mai păstra valoarea de 19 mA calculată anterior. Într-adevăr, aflându-ne în condiții de stabilizare (tensiunea la bornele diodei Uz = constantă), pentru o valoare fixă a tensiunii de intrare (Ui = 12 V), curentul total care trece prin circuit este I = (Ui – Uz) / R, adică tot de 19 mA. Dar, cum I = Iz + Is, iar curentul prin sarcină este Is = 8,2 mA, rezultă Iz = 10,8 mA. Precizăm încă o dată că în aceste calcule s-a neglijat, pentru simplificare, rezistența statică a diodei (care, oricum, este mică față de R).

Să presupunem acum că tensiunea de intrare suferă mici variații în jurul valorii fixe Ui, de plus/minus 10% … plus/minus 20% (de exemplu, simple variații ale rețelei, dacă sursa este alcătuită dintr-un transformator de rețea, un redresor și un filtru). Conform relațiilor prezentate anterior, orice variație delta Ui a tensiunii de intrare va conduce la o variație a curentului total prin circuit delta I = delta Ui / R. Dacă dioda rămâne în continuare în condiții de stabilizare, tensiunea la bornele sale nu se modifică perceptibil și în consecință și curentul prin rezistența de sarcină rămâne neschimbat (valorile Rs și Us = Uz constante). Rezultă că diferența de curent amintită este preluată exclusiv de diodă, care are această capacitate grație caracteristicii sale în zona de stabilizare (variații mari de curent corespunzătoare unor variații foarte mici ale tensiunii la borne). Tocmai în aceasta constă esența stabilizării de tensiune cu ajutorul diodelor Zener.

Dacă însă, ca urmare a variației prea pronunțate a lui Ui, curentul prin diodă este scos din domeniul de stabilizare (Izmin … Izmax), tensiunea la bornele consumatorului poate să scadă apreciabil (când Iz mai mic decât Izmin), respectiv dioda se poate străpunge (când Iz mai mare decât Izmax). Proiectarea circuitului de stabilizare din fig. 6 constă tocmai în alegerea unei diode DZ și a valorii lui R astfel încât rezistența de sarcină (de obicei cunoscută) să primească o tensiune constantă Uz la borne, în condițiile unor variații maxime cunoscute (plus/minus delta Ui) ale tensiunii de intrare Ui.

În continuare dăm câteva recomandări practice privind realizarea circuitului din fig. 6. El reprezintă cea mai simplă schemă de stabilizator cu performanțe modeste, utilizat îndeosebi la alimentarea unor montaje și aparate nepretențioase (generatoare de semnal, redresoare pentru încărcarea pastilelor de acumulator, aparate de radio cu consum redus, instrumente de măsură etc.).

A. Datele cunoscute ale problemei sunt tensiunea stabilizată necesară la consumator, Us, și curentul (maxim) consumat de sarcină, Is, respectiv valoarea rezistenței de sarcină, Rs.

B. Dioda Zener se va alege din tipurile care au tensiunea de referință Uz cât mai apropiată de valoarea Us (condiția Uz aproximativ egal cu Us poate fi eventual satisfăcută prin sortare din mai multe exemplare).

C. Se știe că pentru aceeași tensiune nominală de referință, Uz, există mai multe tipuri de diode Zener, în funcție de puterea maximă disipată, respectiv de curentul maxim admisibil, Izmax.

Pentru o stabilizare eficientă se va alege un tip ale cărui caracteristici de catalog satisfac condiția VZ / IZMax mai mic decât Rs (rezistența statică a diodei în punctul IZMax mult mai mică decât rezistența de sarcină). Transpusă pentru curenți, această condiție revine la a alege un tip de diodă care are IZMax mult mai mare ca Is.

D. Considerând că variațiile tensiunii de intrare nu vor depăși limitele de +/- 25% (condiție în general satisfăcută), se alege o valoare nominală a tensiunii de intrare Ui aproximativ egală cu 1,6 * UZ și se va realiza ca atare sursa de alimentare, capabilă să suporte un curent mai mare ca Is + IZMin. Tensiunea de intrare va fi astfel variabilă în intervalul (UiMin = 1,2 * UZ; UiMax = 2 * UZ).

E. Valoarea rezistenței de limitare R se calculează cu relația R = (UiMax – UZ) / (Is + IZMax) sau, ținând cont de alegerea anterioară, R = UZ / (Is + IZMax). Aceasta trebuie privită ca valoare minimă admisibilă pentru R, ea prezentând garanție deplină numai în cazul în care curentul de sarcină are valoarea constantă Is și când sarcina este conectată permanent la ieșire.

Atunci când, prin natura consumatorului, curentul de sarcină poate să varieze de la zero la Is, valoarea de mai sus a lui R este periculoasă, deoarece în momentele de vârf ale tensiunii de intrare și când sarcina nu consumă (Is = 0), dioda preia întregul curent Is + IZMax = IZ, riscând astfel să se străpungă. În astfel de cazuri se ia o măsură de precauție alegând pentru R o valoare ceva mai mare:
R’ = (UiMax – UZ) / IZMax , respectiv, cu alegerea de la punctul D, R’ = UZ / IZMax.

Exemplu de calcul
A. Us = 10 V, Is = 20 mA (valoare maximă), Rs = 500 Ohm (valoare minimă).
B. UZ = 10 V.
C. Se poate alege tipul PL 10 Z, care are IZMax = 94 mA mult mai mare decât 20 mA.
D. Ui = 16 V, UiMin = 12 V, UiMax = 20 V.
E. Sarcina fiind variabilă, luăm R’ = 10 V / 94 mA aproximativ egal cu 106 Ohm (se poate rotunji prin adaos până la prima valoare standardizată, respectiv 120 Ohm).

Este bine să se facă o verificare calculând curentul total și curentul Zener de lucru:
I = (Ui – UZ) / R’ = (16 V – 10 V) / 120 Ohm = 50 mA; IZ = I – Is = 30 mA.

Pentru a caracteriza calitatea stabilizării obținute cu montajul din fig. 6, se calculează factorul de eficiență (eficacitate), acesta reprezentând raportul dintre variația absolută a tensiunii de ieșire și variația absolută a tensiunii de intrare, delta Us / delta Ui. Evident, stabilizarea este cu atât mai bună cu cât factorul amintit are valori mai reduse. Aceleași informații ni le oferă și raportul invers, delta Ui / delta Us, care arată de câte ori se reduc la ieșire (sarcină) față de intrare variațiile de tensiune.

De exemplu, dacă tensiunea pe sarcina unui stabilizator de 6,2 V variază între 6,2 V și 6 V atunci când tensiunea de intrare este făcută să scadă de la 12 V la 10 V, eficacitatea stabilizării este de 0,2 / 2 = 0,1, adică variațiile de la intrare sunt reduse de 10 ori la ieșire.

În literatura de specialitate se întâlnesc frecvent și alți parametri pentru aprecierea stabilizării. Astfel se definește factorul de stabilizare, F, care se referă la variațiile relative ale tensiunii de la ieșirea stabilizatorului, datorate exclusiv variațiilor relative de la intrare, cu menținerea constantă a curentului consumat:

F = (delta Us / Us) / (delta Ui / Ui) | la I = constant

Și în acest caz se poate utiliza valoarea inversă a raportului, 1 / F.

O problemă practică întâlnită de constructorul amator în utilizarea diodelor Zener o constituie legarea acestora în serie pentru obținerea unor tensiuni de referință mai mari. Teoretic pot fi legate în serie oricâte diode Zener dorim, tensiunea de referință a grupului, Uz, fiind egală cu suma tensiunilor de referință individuale: Uz = Uz1 + Uz2 + … + Uzn (fig. 7). Diodele pot fi de același tip sau de tipuri diferite, de preferință având aceeași putere disipată maximă. Curentul Zener maxim al grupului serie va fi dat de dioda care are Izmax cel mai mic, iar rezistența echivalentă în curent continuu va fi suma rezistențelor echivalente individuale.

Pentru obținerea unor tensiuni de referință mici se pot utiliza joncțiuni semiconductoare (diode obișnuite), eventual grupate în serie, în polarizare directă. În acest sens reamintim că pentru diodele cu siliciu căderea de tensiune în direct este de cca 0,6-0,7 V, iar pentru cele cu germaniu de cca 0,3 V. Diodele obișnuite mai pot fi folosite și pentru “corectarea” tensiunilor de referință ale diodelor Zener, în vederea obținerii unor valori dorite de tensiune. Subliniem că în astfel de cazuri diodele obișnuite trebuie să fie polarizate direct (în conducție), așa cum se exemplifică în fig. 8.