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La
particolarità importante dello zener è di fornire ai suoi
capi una tensione molto stabile, qualunque sia la tensione
inversa a cui è assoggettato. L'aspetto di questo componente
è assai simile ad un comune diodo, da cui si differenzia per
il diverso tipo di comportamento. Infatti mentre un comune
diodo è un ottimo conduttore se polarizzato direttamente, cioè
positivo all'anodo e negativo al catodo, e non conduce se è
polarizzato inversamente, uno zener invece si comporta come un
diodo di cattiva qualità se polarizzato direttamente e non
conduce, ovvero è interdetto,
se polarizzato inversamente, almeno fino ad una tensione di
soglia, detta tensione di
zener, oltre la quale
diventa improvvisamente conduttivo. La stabilità è comunque
perturbata dal fenomeno della deriva
termica e da un coefficiente di temperatura ben diverso da
zero, tipicamente può spaziare da -4,5
mv/C° a -0,5
mv/C° ( millivolt per grado
centigrado). Una particolarità riguarda i diodi con tensione
di 5,6 volt, ebbene questi presentano mediamente un
coefficiente nullo o quasi!!!! negli altri casi la correzione
la si effettua collegando in serie un normale diodo al
silicio, avente una deriva pressoché uguale, ma di segno
opposto.
Prima
di iniziare la trattazione occorre conoscere i parametri
della stabilizzazione, che
consentono di valutarne l'effetto in un circuito. Questi sono:
Mentre
i coefficienti di stabilizzazione permettono la valutazione della
risposta di un circuito alle variazioni della tensione di ingresso,
ri esprime le variazioni della tensione di uscita al variare del
carico. Essi sono espressi matematicamente come segue:
coefficiente
assoluto di stabilizzazione G:
coefficiente
relativo di stabilizzazione S:
|
S = (ΔVu
/ Vu) / (ΔVi / Vi) = ΔVu
/ ΔVi x Vi / Vu |
impedenza
interna ri:
La stabilizzazione di
tensione migliora, all'aumentare dei coefficienti di stabilizzazione
ed al diminuire dell'impedenza interna.
Il
diodo zener come qualsiasi altro componente a semiconduttore
è un elemento
non lineare, cioè la sua
caratteristica
voltamperometrica non è riconducibile ad una funzione
lineare, rappresentata da una retta. Questo significa che la
resistenza non è costante, ma varia al variare della
corrente: lo schema più semplice per l'utilizzo dello zener
è quello di fig.1. La resistenza posta in serie limita la
corrente ad un valore ottimale, generalmente scelto facendo
una media tra il valore minimo, il 10%
del valore massimo, ed appunto il valore massimo, facilmente
calcolabile conoscendo la potenza massima e la tensione di
zener.
Fig. 1
Facendo
una proiezione sull'asse delle ascisse della curva tipicamente
parabolica notiamo,fig.2,come a variazioni assai notevoli di
corrente assorbita corrispondano escursioni limitate della
tensione ai capi dello zener, perchè accada questo occorre una
continua variazione della resistenza del componente, da cui deriva
un' altrettanto continua variazione della tensione ai capi del
resistore di limitazione. In pratica le fluttuazioni della
tensione in ingresso vengono a cadere sulla resistenza R, che è
come sappiamo di valore costante. Logicamente più ripida è la
caratteristica del diodo e minori sono le escursioni della
tensione Vz. In altri termini: una grande variazione di corrente
provoca al diodo solo variazioni molto piccole. Il comportamento
nella zona tecnicamente definita di BREAKDOWN
VOLTAGE, costituisce la
caratteristica peculiare di questo componente, infatti il
diagramma sotto riportato si riferisce esclusivamente al
funzionamento in quella zona!!!! I parametri importantissimi che
definiscono il componente sono la TENSIONE
DI ZENER, LA RESISTENZA DIFFERENZIALE
e LA
CORRENTE MASSIMA.
Fig. 2
Le
curve caratteristiche di alcuni diodi zener sono raccolte in
fig.3,dove i valori di Vz espressi in volt sono diagrammati in
funzione della corrente in mA. Queste curve si riferiscono alla
serie BZY 88 della Philips
e rappresentano le caratteristiche dinamiche: come si vede Vz è
costante per un ampio campo di correnti. Riprendendo lo schema di
fig.1 approfondiamo lo studio del principio di funzionamento,
considerando,fig.4, il suo circuito equivalente in cui Rz è la RESISTENZA
DINAMICA,R2
quella di carico,R1 la resistenza di limitazione e Vz la tensione
di lavoro del diodo stesso. Rz e Vzo costituiscono il vero e
proprio circuito equivalente. Si potrebbe dimostrare che la
stabilita' della tensione di uscita Vz è data da:
ΔVz
/ ΔVc = Rz / (R1 + Rz)
in
cui il primo termine dell' espressione rappresenta il rapporto tra
la variazione della tensione stabilizzata (ΔVz) e quella di
ingresso (ΔVc).Questa
espressione è valida per correnti
I1 >> I2 e con una
variazione di I1 tale per cui dRz =0 (variazione della resistenza
dinamica).La
conoscenza di ΔVz/ΔVc permette di calcolare rapidamente
il grado di stabilità precedentemente definito e cioè:
grado
di stabilità = (ΔVz / ΔVc) x (Vc / Vz)
Fig. 3
Facciamo
un esempio utilizzando la tabella 1 e supponiamo,
usando
lo schema di fig.1,che la RL
sia scollegata
e di avere i seguenti dati:
Vc = 12v, I1=I3=20 mA,I2=0
e Dz = OAZ200
(Philips).
Da questi tipi di dati esaminando
i diagrammi della Philips relativi al tipo di diodo zener
impiegato si ricava:
Tab.
1
Rz = 9 ohm ( a 20 mA) ,
Vz = 5,6 V
R1 = (Vc - Vz) / I1 =
320 ohm
ΔVz / ΔVc =
Rz / (R1 + Rz) = 0,027
grado di stabilità = 0,0578
Quindi
questo significa che con questi
dati otteniamo una tensione di uscita di 5,6 volt, con
un grado di stabilità
di 0,0578,cioè se Vc
varia del 10%, Vz varierà dello 0,578% !!!!
alla condizione di I2 = 0
ovvero carico scollegato e quindi funzionamento a vuoto. Questo
grado di stabilità resterà pressoché invariato fino a correnti
di erogazione verso la RL di 2-3 mA (cioè fino al 10-15%
di I3).
Per correnti superiori si ha una DIMINUZIONE
CONTINUA E PROGRESSIVA SIA DI I3 CHE DELLA STABILITA'.
Questo
componente per le sue proprietà viene utilizzato prevalentemente
per stabilizzare e per limitare una tensione continua. Il circuito
di fig.1 è applicabile solo con carichi molto limitati, ovvero
con correnti verso la RL molto piccole: l'azione perturbatrice è
infatti molto ridotta solo con correnti IL assai limitate!!!!
facciamo dunque un semplice ragionamento ed esaminiamo i due casi
di diodo zener funzionante a vuoto ed a carico.
FUNZIONAMENTO
A VUOTO
Scollegando la RL dal circuito di fig.1,otteniamo le
condizioni per il funzionamento a vuoto dello zener. In questo
caso il resistore può essere dimensionato utilizzando la legge di
Ohm per il circuito serie, ovvero:
Rv
= (Ve -Vz) / Iz
Il valore
della corrente Iz deve essere scelto facendo la media aritmetica
tra il valore massimo, calcolabile con la seguente formula:
Imax
(Ampere) = Pmax (Watt) / Vzener (Volt)
dove
sia la potenza che la tensione di zener sono valori noti o
comunque necessari per l'acquisto del componente e la corrente
minima, pari normalmente al 10% di quella massima.
FUNZIONAMENTO
SOTTO CARICO
La
connessione di una resistenza RL di carico in parallelo allo zener
(fig. 1) determina una modifica della formula precedente,ovvero:
Rv
= (Ve - Vz) / (Iz + IL)
abbiamo
aggiunto al denominatore la Il,cioè la corrente assorbita dal
carico.Si può dimostrare che la stabilità
della tensione di uscita Vz
è data da:
Δ
Vz / Δ Ve = Rz / (RL + Rz) ( Δ = delta )
dove
Rz rappresenta la RESISTENZA
DINAMICA dello
zener,caratteristica riportata nei datasheet del componente e
vediamo come una diminuzione di RL va ad aumentare il valore di
questo parametro,che deve invece essere il più basso possibile.
ESEMPIO
DATI: Ve
= 20 V , Vl = 5 V , Rl = 50 ohm
1)
La corrente di carico si ricava dalla tensione di uscita Vl = Vz e
dalla resistenza di carico Rl:
Il
= Vl / Rl = 5 / 20 = 0,1 A
2)
Il tipo di diodo zener si ricava dalla tensione di uscita Vl
= Vz,in questo caso un diodo da
5 volt !!!!dalle caratteristiche dei datasheet ammettiamo di aver
trovato una Rz = 35 ohm.Ricordo
che più bassa è questa resistenza e migliore sarà il fattore di
stabilizzazione !!!!
3)
Il campo di regolazione del diodo zener è delimitato dalla CORRENTE
MASSIMA Izmax
e da quella MINIMA Izmin,circa
il 10% di Izmax. Infatti se scegliamo una corrente eccessivamente
piccola la Rz aumenterà considerevolmente e la stabilizzazione
peggiorerà.
4)
Per il nostro esempio otteniamo un intervallo da 3,5 a 35 mA e di
conseguenza una corrente media di circa 20 mA,per cui la
resistenza Rv sarà data da:
Rv
= (Ve - Va) / (Il + Izmedia) = (20 - 5) / (0,02 + 0,1) = 15 / 0,12
= 125 Ohm
e
dovrà essere in grado di dissipare una potenza pari a:
Prv
= 15 x 0,12 = 1,8 Watt
5)
Calcoliamo adesso il fattore di
stabilità,con
la formula vista in precedenza:
i)
ΔVz/ΔVe
= Rz/(Rv + Rz) = 0,218
ii)
grado di stabilità =
0,218 x (20/5) = 0,872
Riporto di seguito una
tabella di zener prodotti dalla Fairchild.
DIODI
ZENER DI PRODUZIONE FAIRCHILD
sono indicate nell'ordine: sigla - tensione di zener -
potenza massima
|
MMBZ5221B
2.4V, 0.35W
MMBZ5223B 2.7V, 0.35W
MMBZ5226B 3.3V, 0.35W
MMBZ5227B 3.6V, 0.35W
MMBZ5228B 3.9V, 0.35W
MMBZ5229B 4.3V, 0.35W
MMBZ5230B 4.7V, 0.35W
MMBZ5231B 5.1V, 0.35W
MMBZ5232B 5.6V, 0.35W
MMBZ5233B 6.0V, 0.35W
MMBZ5234B 6.2V, 0.35W
MMBZ5235B 6.8V, 0.35W
MMBZ5236B 7.5V, 0.35W
MMBZ5237B 8.2V, 0.35W
MMBZ5238B 8.7V, 0.35W
MMBZ5239B 9.1V, 0.35W
MMBZ5240B 10V, 0.35W
MMBZ5241B 11V, 0.35W
MMBZ5242B 12V, 0.35W
MMBZ5243B 13V, 0.35W
MMBZ5244B 14V, 0.35W
MMBZ5245B 15V, 0.35W
MMBZ5246B 16V, 0.35W
MMBZ5247B 17V, 0.35W
MMBZ5248B 18V, 0.35W
MMBZ5249B 19V, 0.35W
MMBZ5250B 20V, 0.35W
MMBZ5251B 22V, 0.35W
MMBZ5252B 24V, 0.35W
MMBZ5253B 25V, 0.35W
MMBZ5254B 27V, 0.35W
MMBZ5255B 28V, 0.35W
MMBZ5256B 30V, 0.35W
MMBZ5257B 33V, 0.35W
MMSZ4684 3.3V, 0.5W
MMSZ4686 3.9V, 0.5W
MMSZ4688 4.7V, 0.5W
MMSZ4689 5.1V, 0.5W
MMSZ4692 6.8V, 0.5W
MMSZ4697 10V, 0.5W
MMSZ4702 15V, 0.5W
MMSZ4703 16V, 0.5W
MMSZ4706 19V, 0.5W
| MMSZ5226B
3.3V, 0.5W
MMSZ5227B 3.6V, 0.5W
MMSZ5228B 3.9V, 0.5W
MMSZ5229B 4.3V, 0.5W
MMSZ5230B 4.7V, 0.5W
MMSZ5231B 5.1V, 0.5W
MMSZ5232B 5.6V, 0.5W
MMSZ5233B 6.0V, 0.5W
MMSZ5234B 6.2V, 0.5W
MMSZ5235B 6.8V, 0.5W
MMSZ5236B 7.5V, 0.5W
MMSZ5237B 8.2V, 0.5W
MMSZ5238B 8.7V, 0.5W
MMSZ5239B 9.1V, 0.5W
MMSZ5240B 10V, 0.5W
MMSZ5241B 11V, 0.5W
MMSZ5242B 12V, 0.5W
MMSZ5243B 13V, 0.5W
MMSZ5244B 14V, 0.5W
MMSZ5245B 15V, 0.5W
MMSZ5246B 16V, 0.5W
MMSZ5247B 17V, 0.5W
MMSZ5248B 18V, 0.5W
MMSZ5249B 19V, 0.5W
MMSZ5250B 20V, 0.5W
MMSZ5251B 22V, 0.5W
MMSZ5252B 24V, 0.5W
MMSZ5253B 25V, 0.5W
MMSZ5254B 27V, 0.5W
MMSZ5255B 28V, 0.5W
MMSZ5256B 30V, 0.5W
MMSZ5257B 33V, 0.5W
BZX85C10 10V, 1.3W
BZX85C11 11V, 1.3W
BZX85C12 12V, 1.3W
BZX85C13 13V, 1.3W
BZX85C15 15V, 1.3W
BZX85C16 16V, 1.3W
BZX85C18 18V, 1.3W
BZX85C20 20V, 1.3W
BZX85C22 22V, 1.3W
BZX85C24 24V, 1.3W
BZX85C27 27V, 1.3W
BZX85C30 30V, 1.3W
BZX85C33 33V, 1.3W
| BZX85C3V3
3.3V, 1.3W
BZX85C3V6 3.6V, 1.3W
BZX85C3V9 3.9V, 1.3W
BZX85C4V3 4.3V, 1.3W
BZX85C4V7 4.7V, 1.3W
BZX85C5V1 5.1V, 1.3W
BZX85C5V6 5.6V, 1.3W
BZX85C6V2 6.2V, 1.3W
BZX85C6V8 6.8V, 1.3W
BZX85C7V5 7.5V, 1.3W
BZX85C8V2 8.2V, 1.3W
BZX85C9V1 9.1V, 1.3W
1N4728A 3.3V, 1W
1N4729A 3.6V, 1W
1N4730A 3.9V, 1W
1N4731A 4.3V, 1W
1N4732A 4.7V, 1W
1N4733A 5.1V, 1W
1N4734A 5.6V, 1W
1N4735A 6.2V, 1W
1N4736A 6.8V, 1W
1N4737A 7.5V, 1W
1N4738A 8.2V, 1W
1N4739A 9.1V, 1W
1N4740A 10V, 1W
1N4741A 11V, 1W
1N4742A 12V, 1W
1N4743A 13V, 1W
1N4744A 15V, 1W
1N4745A 16V, 1W
1N4746A 18V, 1W
1N4747A 20V, 1W
1N4748A 22V, 1W
1N4749A 24V, 1W
1N4750A 27V, 1W
1N4751A 30V, 1W
1N4752A 33V, 1W
|
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