Circuits de diodes Zener, caractéristiques, calculs

Les diodes Zener - du nom de son inventeur, le Dr Carl Zener, sont fondamentalement utilisées dans les circuits électroniques pour générer des références de tension précises. Ce sont des appareils capables de créer une tension pratiquement constante entre eux, quelles que soient les variations des situations de circuit et de tension.

À l'extérieur, vous pouvez trouver des diodes Zener très similaires aux diodes standard telles que 1N4148. Les diodes Zener fonctionnent également en redressant le courant alternatif en courant continu pulsé, tout comme leurs alternatives traditionnelles. Cependant contrairement aux diodes redresseurs standard, les diodes Zener sont configurées avec leur cathode directement connectée au positif de l'alimentation, et l'anode à l'alimentation négative.

Caractéristiques

Dans sa configuration standard, les diodes Zener présentent une résistance élevée en dessous d'une tension critique particulière (appelée tension Zerier). Lorsque cette tension critique spécifique est dépassée, la résistance active de la diode Zener tombe à un niveau extrêmement bas.

Et à cette faible valeur de résistance, une tension constante efficace est maintenue à travers les Zeners, et cette tension constante peut être attendue pour conserver indépendamment de tout changement dans le courant de source.

En termes simples, chaque fois que l'alimentation à travers la diode Zener dépasse la valeur nominale Zener, la diode Zener conduit et met à la terre la tension excessive. Pour cette raison, la tension chute en dessous de la tension Zener qui éteint le Zener, et l'alimentation essaie à nouveau de dépasser la tension Zener, allumant à nouveau le Zener. Ce cycle se répète rapidement, ce qui aboutit finalement à stabiliser la sortie à exactement à une valeur de tension Zener constante.

Cette caractéristique est mise en évidence graphiquement dans la figure ci-dessous qui indique qu'au-dessus de la «tension Zener», la tension inverse continue d'être presque constante même avec des variations de courant inverse. En conséquence, les diodes Zener sont souvent utilisées pour obtenir une chute de tension constante, ou tension de référence, avec leur résistance interne.

Les diodes Zener sont conçues dans de nombreuses puissances nominales et avec des tensions nominales allant de 2,7 volts à 200 volts. (Cependant, la plupart du temps, les diodes Zener avec des valeurs bien supérieures à 30 volts ne sont presque jamais utilisées.)

Fonctionnement du circuit de diode Zener de base

Un circuit de régulateur de tension standard, utilisant une seule résistance et une diode Zener, peut être vu dans l'image suivante. Ici, supposons que la valeur de la diode Zener est de 4,7 V et la tension d'alimentation V in est de 8,0 V.

Le fonctionnement de base d'une diode Zener peut être expliqué avec les points suivants:

En l'absence de charge sur la sortie de la diode Zener, une chute de 4,7 volts peut être vue sur la diode Zener tandis qu'une coupure de 2,4 volts est développée à travers la résistance R.

Maintenant, dans le cas où la tension d'entrée est modifiée, imaginons que de 8,0 à 9,0 V, la chute de tension à travers le Zener maintiendra toujours les 4,7 V.

Cependant, la chute de tension aux bornes de la résistance R a pu être vue augmentée, de 2,4 V à 3,4 V.

On peut s'attendre à ce que la chute de tension à travers un Zener idéal soit assez constante. En pratique, vous pouvez constater que la tension aux bornes du zener augmente légèrement en raison de la résistance dynamique du Zener.

La procédure par laquelle le changement de tension Zener est calculé consiste à multiplier la résistance dynamique Zener par le changement de courant Zener.

La résistance R1, dans la conception de base du régulateur ci-dessus, symbolise la charge préférée qui peut être connectée au zener. R1 à cet égard attirera une certaine quantité de courant qui se déplaçait dans le Zener.

Étant donné que le courant en Rs sera supérieur au courant entrant dans la charge, une quantité de courant continuera à traverser le Zener, permettant une tension parfaitement constante à travers le Zener et la charge.

La résistance série Rs indiquée doit être déterminée de telle sorte que le courant le plus bas entrant dans le Zener soit toujours supérieur au niveau minimum spécifié pour une régulation stable du Zener. Ce niveau commence juste sous le «genou» de la courbe de tension inverse / courant inverse comme appris du diagramme graphique précédent ci-dessus.

Vous devez en outre vous assurer que la sélection de Rs garantit que le courant traversant la diode Zener ne dépasse jamais sa puissance nominale: qui peut être équivalente à la tension Zener x le courant Zener. C'est la quantité de courant la plus élevée pouvant traverser la diode Zener en l'absence de la charge R1.

Comment calculer les diodes Zener

La conception d'un circuit Zener de base est en fait simple et peut être implémentée via les instructions suivantes:

1. Déterminez le courant de charge maximum et minimum (Li), par exemple 10 mA et 0 mA.
2. Déterminez la tension d'alimentation maximale qui peut se développer, par exemple un niveau de 12 V, en vous assurant également que la tension d'alimentation minimale est toujours = 1,5 V + Vz (la tension nominale de Zener).
3. Comme indiqué dans la conception du régulateur de base, la tension de sortie requise qui est la tension Zener équivalente Vz = 4,7 volts, et la tension de sortie sélectionnée le courant Zener le plus bas est de 100 microampères . Cela implique que le courant Zener maximal prévu ici est de 100 microampères plus 10 milliampères, soit 10,1 milliampères.
4. La résistance série Rs doit autoriser la quantité minimale de courant 10,1 mA même lorsque l'alimentation d'entrée est au niveau spécifié le plus bas, qui est 1,5 V supérieur à la valeur Zener sélectionnée Vz, et peut être calculée en utilisant la loi d'Ohm comme suit: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 Ohms. La valeur standard la plus proche semble être 150 Ohm, donc Rs peut être 150 Ohms.
5. Si la tension d'alimentation monte à 12 V, la chute de tension aux bornes de Rs sera Iz x Rs, où Iz = courant traversant le zener. Par conséquent, en appliquant la loi d'Ohm, nous obtenons Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Ce qui précède est le courant maximum qui sera autorisé à traverser la diode Zener. En d'autres termes, le courant maximal qui peut circuler pendant la charge de sortie maximale ou l'entrée de tension d'alimentation maximale spécifiée. Dans ces conditions, la diode Zener dissipera une puissance de Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. La valeur nominale de puissance standard la plus proche pour y parvenir est de 400 mW.

Effet de la température sur les diodes Zener

Outre les paramètres de tension et de charge, les diodes Zener sont également assez résistantes aux variations de température autour d'elles. Cependant, au-dessus d'une certaine mesure, la température peut avoir un effet sur l'appareil comme indiqué dans le graphique ci-dessous:

Il montre la courbe du coefficient de température de la diode Zener. Bien qu'à des tensions plus élevées, la courbe de coefficient répond à environ 0,1% par degré Celsius, elle passe par zéro à 5 V puis devient négative pour les niveaux de tension inférieurs. Finalement, il atteint -0,04% par degré Celsius à environ 3,5 V.

Utilisation de la diode Zener comme capteur de température

Une bonne utilisation de la sensibilité de la diode Zener au changement de température consiste à appliquer l'appareil en tant que capteur de température, comme indiqué dans le diagramme suivant

Le schéma montre un réseau de ponts construit à l'aide d'une paire de résistances et d'une paire de diodes Zener ayant des caractéristiques identiques. L'une des diodes Zener fonctionne comme un générateur de tension de référence, tandis que l'autre diode Zener est utilisée pour détecter les changements des niveaux de température.

Un Zener 10 V standard peut avoir un coefficient de température de + 0,07% / ° C qui peut correspondre à une variation de température de 7 mV / ° C. Cela créera un déséquilibre d'environ 7 mV entre les deux bras du pont pour chaque variation de degré Celsius de la température. Un compteur FSD complet de 50 mV peut être utilisé dans la position indiquée pour afficher les lectures de température correspondantes.

Personnalisation de la valeur de la diode Zener

Pour certaines applications de circuit, il peut être nécessaire d'avoir une valeur Zener précise qui peut être une valeur non standard ou une valeur qui n'est pas facilement disponible.

Dans de tels cas, un tableau de diodes Zener peut être créé qui peut ensuite être utilisé pour obtenir une valeur de diode Zener personnalisée souhaitée, comme indiqué ci-dessous:

Dans cet exemple, de nombreuses valeurs Zener personnalisées et non standard peuvent être acquises sur les différents terminaux, comme décrit dans la liste suivante:

Vous pouvez utiliser d'autres valeurs dans les positions indiquées pour obtenir de nombreux autres ensembles personnalisés de sortie de diode Zener

Diodes Zener avec alimentation CA

Les diodes Zeners sont normalement utilisées avec des alimentations CC, mais ces appareils peuvent également être conçus pour fonctionner avec des alimentations CA. Quelques applications CA des diodes Zener incluent les circuits audio, RF et d'autres formes de systèmes de contrôle CA.

Comme le montre l'exemple ci-dessous, lorsqu'une alimentation CA est utilisée avec une diode Zener, le Zener conduira instantanément dès que le signal CA passe de zéro vers la moitié négative de son cycle. Parce que le signal est négatif, le courant alternatif sera court-circuité via l'anode à la cathode du zener, provoquant l'apparition de 0 V à la sortie.

Lorsque l'alimentation CA se déplace sur la moitié positive du cycle, le zener ne conduit pas tant que le CA n'atteint pas le niveau de tension du zener. Lorsque le signal AC croise la tension Zener, le Zener conduit et stabilise la sortie à un niveau de 4,7 V, jusqu'à ce que le cycle AC redescende à zéro.

N'oubliez pas que lorsque vous utilisez zener avec une entrée CA, assurez-vous que Rs est calculé selon la tension de crête CA.

Dans l'exemple ci-dessus, la sortie n'est pas symétrique, plutôt une pulsation de 4,7 V CC. Afin d'obtenir un courant alternatif de 4,7 V symétrique à la sortie, deux zeners dos à dos peuvent être connectés comme illustré dans le schéma ci-dessous

Suppression du bruit de la diode Zener

Bien que les diodes Zener fournissent un moyen rapide et facile de créer des sorties de tension fixe stabilisées, elles présentent un inconvénient qui peut affecter les circuits audio sensibles tels que les amplificateurs de puissance.

Les diodes Zener génèrent du bruit pendant leur fonctionnement en raison de leur effet d'avalanche de jonction lors de la commutation, allant de 10 uV à 1 mV. Cela peut être supprimé en ajoutant un condensateur en parallèle avec la diode Zener, comme indiqué ci-dessous:

La valeur du condensateur peut être comprise entre 0,01 uF et 0,1 uF, ce qui permettra une suppression du bruit d'un facteur 10 et maintiendra la meilleure stabilisation de tension possible.

Le graphique suivant montre l'effet du condensateur sur la réduction du bruit de la diode Zener.

Utilisation de Zener pour le filtrage de tension d'ondulation

Les diodes Zener peuvent également être utilisées comme filtres de tension d'ondulation efficaces, tout comme elles sont utilisées pour la stabilisation de la tension alternative.

En raison de leur impédance dynamique extrêmement faible, les diodes Zener sont capables de fonctionner comme un filtre à ondulation de la même manière que le condensateur de filtre.

Un filtrage d'ondulation très impressionnant peut être obtenu en connectant une diode Zener à travers la charge, avec n'importe quelle source CC. Ici, la tension doit être la même que le niveau du creux d'ondulation.

Dans la plupart des applications de circuit, cela peut fonctionner aussi efficacement qu'un condensateur de lissage typique ayant une capacité de plusieurs milliers de microfarads, ce qui entraîne une réduction significative du niveau de tension d'ondulation superposée à la sortie CC.

Comment augmenter la capacité de gestion de la puissance de la diode Zener

Un moyen simple d'augmenter la capacité de gestion de la puissance des diodes Zener est probablement de simplement les connecter en parallèle, comme indiqué ci-dessous:

Cependant, cela peut ne pas être aussi simple qu'il y paraît et ne pas fonctionner comme prévu. En effet, comme tout autre dispositif à semi-conducteurs, les zeners n'ont jamais non plus des caractéristiques exactement identiques, par conséquent l'un des zeners peut conduire avant que l'autre capte tout le courant à travers lui-même, finissant par être détruit.

Un moyen rapide de contrer ce problème peut être d'ajouter des résistances série de faibles valeurs avec chaque diode Zener comme indiqué ci-dessous, ce qui permettra à chaque diode Zener de partager le courant uniformément grâce à la compensation des chutes de tension générées par les résistances R1 et R2:

Bien que la capacité de gestion de l'énergie puisse être augmentée en connectant des diodes Zener en parallèle, une approche bien améliorée peut consister à ajouter un shunt BJT en conjonction avec une diode Zener configurée comme source de référence. Veuillez consulter l'exemple de schéma suivant pour le même.

L'ajout d'un transistor shunt augmente non seulement la capacité de gestion de la puissance Zener d'un facteur 10, mais améliore encore le niveau de régulation de tension de la sortie, qui peut être aussi élevé que le gain de courant spécifié du transistor.

Ce type de régulateur zener à transistor shunt peut être utilisé à des fins expérimentales car le circuit dispose d'une installation 100% étanche aux courts-circuits. Cela dit, la conception est plutôt inefficace car le transistor peut dissiper une quantité importante de courant en l'absence de charge.

Pour des résultats encore meilleurs, un transistor passe-série Le type de régulateur comme indiqué ci-dessous semble être une meilleure option et préférable.

Dans ce circuit, la diode Zener crée une tension de référence pour le transistor passe-série, qui, essentiellement, fonctionne comme un émetteur suiveur . En conséquence, la tension d'émetteur est maintenue entre quelques dixièmes de volt de la tension de base du transistor créée par la diode Zener. Par conséquent, le transistor fonctionne comme un composant série et permet un contrôle efficace des variations de tension d'alimentation.

L'intégralité du courant de charge passe désormais par ce transistor série. La capacité de gestion de puissance de ce type de configuration est totalement établie par la valeur et la spécification des transistors, et dépend également de l'efficacité et de la qualité du dissipateur utilisé.

Une excellente régulation pourrait être obtenue à partir de la conception ci-dessus en utilisant une résistance série 1k. La régulation pourrait être augmentée d'un facteur 10 en remplaçant le zener normal par une diode zener spéciale à faible dynamique telle qu'une 1N1589).

Si vous souhaitez que le circuit ci-dessus fournisse une sortie régulée en tension variable, cela peut être facilement réalisé en utilisant un potentiomètre 1K à travers la diode Zener. Cela permet d'ajuster une tension de référence variable à la base du transistor série.

Cependant, cette modification peut entraîner une efficacité de régulation inférieure en raison d'un effet de dérivation créé par le potentiomètre.

Circuit de diode Zener à courant constant

Une simple alimentation en courant constant régulée par Zener peut être conçue à travers un seul transistor en tant que résistance série variable. La figure ci-dessous montre le schéma du circuit de base.

Vous pouvez voir un couple de passages de circuit ici, l'un via la diode Zener connectée en série avec la résistance de polarisation, tandis que l'autre chemin passe par les résistances R1, R2 et le transistor série.

Dans le cas où le courant s'écarte de sa plage d'origine, il crée un changement proportionnel du niveau de polarisation de R3, qui à son tour provoque l'augmentation ou la diminution proportionnelle de la résistance du transistor série.

Cet ajustement de la résistance du transistor se traduit par une correction automatique du courant de sortie au niveau souhaité. La précision de la commande de courant dans cette conception sera d'environ +/- 10% en réponse à des conditions de sortie pouvant aller d'un court-circuit à une charge allant jusqu'à 400 Ohm.

Circuit de commutation de relais séquentiel utilisant la diode Zener

Si vous avez une application dans laquelle un ensemble de relais doit être commuté séquentiellement l'un après l'autre sur un interrupteur d'alimentation au lieu de s'activer tous ensemble, la conception suivante peut s'avérer très pratique.

Ici, des diodes Zener à incrémentation séquentielle sont installées en série avec un groupe de relais ainsi que des résistances individuelles en série de faible valeur. Lors de la mise sous tension, les diodes Zener se conduisent l'une après l'autre en séquence dans un ordre croissant de leurs valeurs Zener. Cela entraîne la mise en marche du relais dans l'ordre souhaité par l'application. Les valeurs des résistances peuvent être de 10 ohms ou 20 ohms selon la valeur de résistance de la bobine de relais.

Circuit de diode Zener pour la protection contre les surtensions

En raison de leur caractéristique sensible à la tension, il est possible de combiner des diodes Zener avec la caractéristique sensible au courant des fusibles pour protéger les composants cruciaux du circuit contre les surtensions, et en plus d'éliminer les tracas du fusible de griller fréquemment, ce qui peut se produire en particulier lors d'un fusible est très proche de la spécification de courant de fonctionnement du circuit.

En joignant une diode Zener correctement calibrée à travers la charge, un fusible qui est convenablement calibré pour gérer le courant de charge prévu pendant de longues périodes peut être utilisé. Dans cette situation, supposons que la tension d'entrée augmente dans une mesure qui dépasse la tension de claquage Zener - forcera la diode Zener à conduire. Cela entraînera une augmentation soudaine du courant faisant sauter le fusible presque instantanément.

L'avantage de ce circuit est qu'il empêche le fusible de sauter fréquemment et de manière imprévisible en raison de sa valeur de fusion proche du courant de charge. Au lieu de cela, le fusible saute uniquement lorsque la tension et le courant dépassent réellement un niveau dangereux spécifié.

Circuit de protection contre les sous-tensions utilisant la diode Zener

Un relais et une diode Zener sélectionnée de manière appropriée sont suffisants pour créer un circuit de protection précis contre les coupures de basse tension ou de sous-tension pour toute application souhaitée. Le schéma du circuit est présenté ci-dessous:

Le fonctionnement est en fait très simple, l'alimentation Vin qui est acquise à partir d'un réseau de ponts transformateurs varie proportionnellement en fonction des variations d'entrée AC. Cela implique, si supposons que le 220 V correspond à 12 V du transformateur, alors 180 V devrait correspondre à 9,81 V et ainsi de suite. Par conséquent, si 180 V est supposé être le seuil de coupure de basse tension, la sélection de la diode Zener en tant que dispositif 10 V coupera le fonctionnement du relais chaque fois que l'entrée CA tombe en dessous de 180 V.