ESERCIZIO DC4: circuito ad un diodo zener

ESERCIZIO DC4
Si valutino manualmente ed in simulazione le tensioni e le correnti nel circuito a
singolo diodo zener in figura.
Successivamente si confrontino i risultati, giustificando lo scostamento dei risultati
carta e penna rispetto alle simulazioni, sulla base delle approssimazioni introdotte.
ANALISI CARTA E PENNA:
Nei circuiti a diodi zener, ogni dispositivo può lavorare alternativamente in tre
differenti regioni di funzionamento, nelle quali è possibile approssimare il diodo ad
un bipolo lineare
• polarizzazione diretta→ generatore di tensione costante pari a Von≈0.7 V
• polarizzazione inversa→ circuito aperto (si trascura la debole corrente
inversa di saturazione)
• breakdown→ generatore di tensione costante pari a VZ
Come osservato nell’esercizio DC1, potrebbe essere necessario considerare un
modello del diodo più accurato. In particolare, in breakdown potrebbe essere
considerato anche l’effetto di variazione della tensione del diodo con la corrente,
mediante un resistore RZ (tipicamente dell’ordine di svariate decine di Ω). In
questo caso, nel caso in cui D1 sia in breakdown, la resistenza RZ risulta
certamente trascurabile, essendo questa in serie ad R1 e decisamente minore
rispetto a quest’ultima.
Dall’analisi del circuito, si deduce che il diodo non può lavorare in
polarizzazione diretta, essendo il catodo connesso al potenziale minore disponibile.
Inoltre, ci si aspetta che se VCC<VZ il diodo lavora in polarizzazione inversa,
mentre se VCC>VZ il diodo lavora in breakdown.
Nel caso specifico dell’esercizio, VCC risulta maggiore diVZ e quindi il diodo
lavora in breakdown e può essere approssimato ad un generatore VZ. Per
dimostrare più rigorosamente tale risultato, utile da un punto di vista puramente
didattico in questi primi esercizi, si può al solito supporre il funzionamento in
breakdown e verificare che il verso della corrente sia compatibile con l’ipotesi
(ovvero entrante dal catodo). Oppure si può ricorrere al ragionamento per assurdo
che lavori in polarizzazione inversa, il che conduce all’assurdo che la tensione
inversa sia superiore a VZ.
Da un punto di vista analitico, sostituendo D1 con un generatore di tensione VZ,
il circuito equivalente diventa
e quindi si ottiene
ID1=(VCC-VZ)/R1=0.2 mA
VOUT=VZ =3 V
SIMULAZIONE DEL CIRCUITO CON PSPICE
MODELLIZZAZIONE DEL DIODO ZENER
Come già anticipata nell'esercizio DC1, il comportamento in breakdown è
controllato dai parametri BV, IBV ed RS, che però non hanno un collegamento
diretto con i parametri Vz ed Rz del modello equivalente di Thevenin.
Per basse correnti la corrente nel diodo in breakdown è dominata dall'eponenziale
(parametri BV, IBV), mentre per correnti elevate è dominata dalla resistenza di
massa RS. Come prima prova provare con i seguenti parametri: BV=2.9, IBV=1u,
RS=0.1
Risultato:
Come ulteriore esercizio provare a cambiare i parametri BV ed IBV, verificando
come dalla loro combinazione dipenda la tensione di inizio e la curvatura del
ginocchio ed il parametro RS, verificando come da questo dipenda la pendenza
della caratteristica I-V per valori elevati di corrente.