Funcționarea unei diode Zener se bazează pe proprietatea joncțiunii pn de a avea la borne o tensiune aproape constantă în situația în care apare fenomenul de străpungere. Pentru aceasta regiunile p și n sînt puternic impurificate. O dată atinsă tensiunea de străpungere, ea se menține aproape constantă, cu o precizie cuprinsă între 0,5% și 1,5%, chiar în cazul în care curentul invers prin diodă atinge valori de zeci sau sute de miliamperi.
Caracteristica curent-tensiune a unei diode Zener în polaritate inversă este arătată în figura 1. Porțiunea utilă, cuprinsă între punctele A (2 mA) și B (30 mA), poate fi asimilată cu un segment de dreaptă. Intensitatea maximă a curentului electric ce poate trece prin diodă este de 30 mA.
Se cere să se determine coordonatele punctului de funcționare în vid, în cazul în care dioda este înseriată cu un rezistor R = 820 Ω și este alimentată de la o sursă cu tensiunea electromotoare de 15 V, figura 2. Aplicînd legea a doua a lui Kirchhoff pentru ochiul de rețea desenat, se poate scrie:
de unde:
Deoarece Is = 0, rezultă că I = Io și relația (1) devine:
La intersecția dreptei de sarcină cu caracteristica curent-tensiune a diodei Zener se află punctul de funcționare M căutat (figura 3), pentru care pot fi citite coordonatele: 5,6 V; 18,3 mA.
O a doua problemă care se pune în cazul circuitelor ce utilizează diode Zener este aceea de a calcula valoarea rezistenței R (numită rezistență de polarizare, balast sau protecție) pentru ca prin diodă să treacă un curent avînd o intensitate dată, de exemplu I = 20 mA. În acest caz, punctul de funcționare trebuie să se găsească în M’ (I = 20 mA; U = 5,8 V). Noua dreaptă de sarcină trebuie să treacă prin punctul de coordonate (15 V; 0) și prin punctul de funcționare M’ (5,8 V; 20 mA), figura 4.
Valoarea inversă a pantei acestei drepte ne permite să calculăm valoarea rezistenței de polarizare, R:
deci R = 460 Ω.
Valoarea rezistenței de polarizare R determină poziția punctului de funcționare și, în consecință, intensitatea curentului electric ce trece prin diodă. Evident, pentru o anumită valoare a lui R (notăm această valoare cu RL intensitatea poate atinge valoarea maximă admisă. În cazul în care R < RL, curentul devine mai mare decît cel admis și dioda se poate distruge.
Ne propunem, în încheiere, să calculăm valoarea limită inferioară a rezistenței de polarizare. În acest caz, dreapta de sarcină trebuie să treacă prin punctele (15 V; 0) și (6 V; 30 mA). Valoarea inversă a pantei acestei drepte, egală cu RL, este:
deci RL = 300 Ω.
Explicații tehnice și Componente alternative moderne
1. Dioda Zener (DZ)
- Analiza din text: Textul descrie o diodă Zener cu o tensiune de străpungere de aproximativ 5,6 V – 5,8 V, un curent minim de stabilizare de 2 mA și un curent maxim admisibil Imax de 30 mA. Puterea disipată de această diodă este de aproximativ P = U x I = 5,6V x 0,03A = 0,168 W (circa 170 mW).
- Echivalent modern: Standardul actual cel mai răspândit pentru această plajă este dioda Zener de 5,6 V la o putere de 0,5 W sau 1 W. Codul universal recomandat este BZX55C5V6 (varianta de 0,5 W în capsulă de sticlă DO-35) sau 1N4734A (varianta mai robustă de 1 W, capsulă DO-41). Ambele au o stabilitate termică excelentă și plaje de curent care acoperă perfect cei 30 mA din text.
2. Rezistențele de balast / polarizare (R)
- Analiza din text: Se calculează valori precum 820 Ω, 460 Ω și limita critică de 300 Ω. La curentul maxim de 30 mA și o rezistență de 300 Ω, puterea disipată pe rezistență este P = I^2 x R = 0,03^2 x 300 = 0,27 W.
- Echivalent modern: Rezistențele vechi cu peliculă de carbon (RPM) aveau toleranțe mari de 10-20% și își modificau valoarea la cald. Folosește exclusiv rezistențe moderne cu peliculă metalică (Metal Film) de 0,5 W sau 1 W pentru siguranță (de exemplu, serii uzuale de 820 Ω, 470 Ω în loc de 460 Ω, și 300 Ω). Alegerea unei puteri superioare (ex. 0,5W în loc de standardul de 0,25W) previne supraîncălzirea rezistenței de balast în timpul funcționării continue.
3. Sursa de alimentare (E)
- Analiza din circuit: Tensiunea de intrare este de 15 V curent continuu.
- Echivalent modern: Poți folosi o sursă în comutație stabilizată modernă (alimentator de perete) de 15 V, eliminând necesitatea transformatoarelor masive cu tole de fier și a punților redresoare mari
