stabilizzatore di tensione a zener

DIODI ZENER
Sono diodi nei quali la corrente inversa non distrugge il componente (se opportunamente limitata
da un resistore di valore adeguato) ma anzi, costituisce il suo normale funzionamento. Quando il
diodo è polarizzato in senso inverso blocca la corrente, ma solo fino a certo valore della tensione
inversa ,detta zona di breakdown. superata la quale si ha una forte conduzione (inversa) che porta
rapidamente il diodo alla distruzione. Tuttavia, drogando opportunamente il cristallo di silicio, cioè
aggiungendo ad esso talune impurità, è possibile controllare la generazione di tale corrente in modo
da evitare la distruzione del componente.
Un componente così concepito prende il nome di diodo zener e la tensione inversa minima a cui
avviene il break down si chiama tensione di zener . La tensione inversa risulta piuttosto costante
(in realtà aumenta lievemente con la corrente) anche se la corrente inversa che attraversa il diodo
varia notevolmente.
Il diodo in tale zona si comporta come un generatore (quasi) ideale di tensione e quindi uno
stabilizzatore di tensione. I diodi zener sono usati principalmente perché con essi si realizza la
maggior parte dei circuiti stabilizzatori, secondariamente perché sono componenti assai
semplici ed economici.
In figura 1 è riportata, per intero, la curva
caratteristica di un diodo zener che, polarizzato
direttamente si comporta come un normalissimo
diodo al silicio, mentre quando viene polarizzato
inversamente non conduce corrente, sino al valore
di tensione zener; ma una volta raggiunto tale
valore il diodo entra rapidamente in conduzione.
Fig. 1 - Curva caratteristica dello Zener (identica a quella di un diodo raddrizzatore)
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I diodi zener possono essere grandi come un resistore da 1/4 di watt o poco di più, oppure raggiungere la grandezza di un bullone, se di potenza superiore ai 5 watt.
Fig. 4 - configurazione reale di un diodo zener e il simbolo
elettrico
Caratteristiche Elettriche Dello Zener
Per provare la caratteristica elettrica del diodo zener quando e' polarizzato inversamente si può
fare riferimento allo schema di figura 5 con cui eseguire un esperimento di seguito descritto:.
Fig. 5 - semplice circuito per interpretare il comportamento di un diodo zener
Componenti: R1 = 100 ohm; R2 = 470 ohm
(potenz. a variaz. lín.); DZ = diodo zener (5,6 V 1 W).
Inizialmente il cursore del potenziometro R2 deve essere completamente ruotato verso la linea
di alimentazione negativa a 9 V, in modo che il diodo zener DZ rimanga cortocircuitato e la
tensione, sui suoi terminali, sia di 0 V.
Quindi si comincia a ruotare il perno di R2 lentamente verso la resistenza R1, ovvero verso il
morsetto positivo dell'alimentatore e si osserva il comportamento dell'indice del tester, che deve
essere commutato nella funzione di voltmetro per tensioni continue e sulla portata di 25 V
fondo-scala.
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Ci si accorgerà che la tensione sale dallo zero iniziale fino a raggiungere il valore di 5,6 V. e da
questo valore non si scosta (quasi) più, pur continuando a ruotare il cursore di R2 verso il suo
fine corsa. E questo è il funzionamento dello zener, scelto ovviamente con tensione zener di 5,6
V. In figura 6 e' riportato lo schema realizzativo del circuito di figura 5.
Fig. 6 - Schema pratico dell'esperimento dimostrativo del comportamento di un diodo zener
Nella pratica corrente, sostituendo il tester con un carico elettrico, questo e' alimentato
costantemente con la tensione di 5,6 V, pur assumendo quella di alimentazione il valore di 9 V
massimi e variando nel tempo il potenziometro
Se il diodo zener fosse inserito nello stesso circuito di figura 5 con polarizzazione diretta, come
segnalato nello schema elettrico di figura 7, il semiconduttore si comporterebbe come un
qualsiasi diodo, ovvero nel modo già analizzato nello schema di figura 1, nel quale la tensione
rimane stabilizzata sul valore di 0,7 V.
Fig. 7 - diodo zener inserito con
polarizzazione diretta
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STABILIZZATORE DI TENSIONE A ZENER
Dimensionamento Circuitale
lI circuito pubblicato in figura 8 rappresenta l'esempio più classico di impiego di un diodo
zener, in veste di elemento stabilizzatore della tensione di alimentazione di un carico elettrico.
Fig. 8 - classico circuito stabilizzatore di tensione
Questo circuito si ripete spesso nella pratica elettronica e si può riscontrare in molti app arati
utilizzatori.
Un solo calcolo deve essere eseguito per comporre il progetto di figura 8, quello che porta a
definire il valore esatto della resistenza di zener RZ, note che siano la tensione di entrata
disponibile VE, quella richiesta dal carico VU, che coincide con la tensione dello zener Vz, la
corrente minima che deve circolare attraverso lo zener Iz e quella che viene assorbita dal carico
Ic.
Per maggior chiarezza, elenchiamo qui di seguito le grandezze note ora menzionate:
VE = tensione d'entrata ;
Vz = tensione di zener del diodo;
VU = tensione uscita;
Iz = corrente di funzionamento del diodo;
Ic= corrente nel carico.
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Supponiamo che il carico del circuito di figura 8 richieda una tensione di alimentazione VU pari
a 5,6 V con un assorbimento di corrente Ic di 100 mA e che la tensione di alimentazione del
circuito VE sia di 12 V. In tal caso si deve utilizzare uno zener da 5,6V
Per determinare il valore della resistenza RZ del circuito di figura 9, occorre applicare la
seguente formula:
RZ = ( VE - Vz ) / ( Iz + Ic )
Nella progettazione Iz si può assumere il doppio del valore minimo, che a sua volta si valuta
nella misura di un decimo della corrente massima Iz_max tollerata dallo stesso zener
Iz_max = Pz / Vz e
Izmin = Iz max / 10
da quanto detto prima Iz e' data da:
Iz (min) = 2 Izmax / 10 = 0,2 Iz max
Supponendo che Pz= 1W, sostituendo i valori si ha:
Iz_max = 1 / 5,6 V = 0,178 A = 178 mA
Iz = 0, 2 178 = 36 mA (circa)
Quindi RZ vale:
RZ = (12- 5,6 ) / (36 + 100 ) = 47 ohm (valore standard)
Il valore della potenza dissipata su Rz vale:
PRz = ( VE - Vz ) ( Iz + Ic ) = 6.4 x 0.138 = 0,87W
Si può scegliere un resistore dal valore si 47Ω 1W.
Fra le ipotesi iniziali per il calcolo della resistenza RZ, al diodo zener da 5,6 V è stato
attribuito, un po' arbitrariamente, il valore di potenza di 1 W, giacché le potenze in gioco, nel
circuito di figura 8, potevano essere valutate in misura inferiore ad 1 W.
Anche uno zener da ½ W = 500mW sarebbe andato bene (perche?)
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Supponiamo invece che la corrente del carico Ic si possa annullare (cioè “si stacca il carico”).
In tal caso tutta la corrente del carico più la Iz precedente passano nello zener. Ciò e' dovuto al
fatto che VE, Vz e Rz sono fissati e la corrente in Rz e' sempre la stessa qualunque sia il
valore della corrente del carico. quindi la corrente massima che attraversa il diodo ora e':
Iz = 100 +36 = 136 mA
Dunque, la potenza da questo dissipata vale:
Pz = 5,6 V x 136 mA = 761 mW
Uno zener da 1 W funziona ancora, mentre uno da ½ W “brucia”
Il condensatore C1, che in sede di montaggio dello stabilizzatore di figura 8 deve essere
applicato nelle immediate vicinanze del diodo zener DZ, assume valori capacitivi compresi fra
0,1 uF e 25 uF, a seconda del tipo di applicazioni circuitali cui è destinato. La sua funzione
consiste nell'eliminare i rumori o soffi che lo zener può generare e che talvolta possono
rivelarsi assai fastidiosi se non proprio intollerabili. Lo zener infatti produce molto rumore,
ed a volte è appunto usato come generatore di rumore
Impieghi Vari Del Diodo Zener
Oltre che in funzione di elemento stabilizzatore di tensione, il diodo zener può essere impiegato
pure con altri compiti. Per esempio, due diodi zener, collegati in "antiserie", come avviene ne l
circuito di figura 9, compongono un dispositivo "tosatore" o CLIPPER di onde ad es.
sinusoidali.
Fig. 9 - Circuito tosatore a due livelli a zener
Vs = tensione dii soglia
Vs = Vz + VD ; VD = 0,7V circa
I due elementi DZ1 - DZ2, montati in opposizione, tosano prima la semionda positiva e subito
dopo quella negativa, stabilizzando inoltre la tensione alternata applicata all'entrata VCA.
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Un altro impiego del diodo zener è quello illustrato nello schema di figura 10, nel quale DZ
polarizza la valvola elettronica V1 attraverso il suo catodo. Possiamo aggiungere che questo
sistema viene praticato nella costruzione degli amplificatori lineari di potenza a
radiofrequenza.
Fig. 10 - polarizzazione del catodo di una valvola termoionica tramite diodo
zener
Collegamento in serie di diodi zener
In tal caso la tensione stabilizzata in uscita VU è pari alla
somma delle tensioni di zener dei diodi che compongono
il collegamento in serie. Per esempio, se ai tre diodi dello
schema di figura 11 fossero attribuiti i valori di tensione
di 9 V - 3 V - 5 V, la tensione VU in uscita assume la
grandezza di:
VU = VZ1 + VZ2 + VZ3 = 9V + 3V + 5V = 17V
La potenza totale, invece, è pari a quella dello zener di minor potenza moltiplicata, in
questo caso, per tre. (perché ?)
Non è assolutamente possibile collegare in parallelo fra loro i diodi zener, nemmeno quando
presentano le stesse caratteristiche elettriche.
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Dissipatore per Zener
I due elementi sono di ottone, elettricamente separati tra loro e ciascuno di questi saldati a stagno
sui reofori del componente.
In alternativa si può anche “formare un cappio” ai reofori in modo da offrire più superficie di
questi all’aria
Fig. 12 - Radiatore per raffreddare un diodo zener
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