Circuitos e Projeto de Diodo Zener
Existem muitos projetos de circuitos eletrônicos de diodo Zener, desde circuitos de referência de tensão até aqueles que fornecem proteção contra transientes de tensão e muitos mais.
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Nosso Tutorial sobre Diodo Zenner inclui:
Diodo Zener | Teoria de operação do diodo Zener | Especificações da folha de dados do diodo Zener | Circuitos com diodo Zener
Tutorial de Diodo Inclui:
Tipos de diodos | Especificações e classificações de diodos
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Os diodos Zener ou diodos de referência de tensão são usados em uma variedade de projetos de circuitos eletrônicos para permitir que forneçam uma referência de tensão. Eles também podem ser usados em outros circuitos além de fornecer apenas uma referência de tensão.
Existem muitos circuitos que usam diodos Zener, desde circuitos de diodo Zener muito simples, até os mais complicados.
Alguns exemplos de circuitos de diodo Zener são fornecidos abaixo, juntamente com algumas sugestões e dicas de design de circuito.
Circuito de diodo Zener simples fornecendo tensão de referência
O circuito de diodo Zener mais básico consiste em um único diodo Zener e um resistor. O diodo Zener fornece a tensão de referência, mas um resistor em série deve estar instalado para limitar a corrente no diodo, caso contrário, uma grande quantidade de corrente fluiria através dele e poderia ser destruído.
O valor do resistor no circuito do diodo Zener deve ser calculado para fornecer o valor de corrente necessário para a tensão de alimentação usada. Normalmente, a maioria dos diodos Zener com chumbo de baixa potência tem uma dissipação de potência máxima de 400 mW.
Idealmente, o projeto do circuito deve ser configurado para dissipar menos da metade desse valor, mas para operar corretamente a corrente no diodo Zener não deve cair abaixo de 5 mA ou eles não regulam corretamente.
Exemplo de projeto de circuito
Existem muitos lugares onde os diodos Zener ou diodos de referência de tensão podem ser usados. Cada projeto de circuito eletrônico tem seus próprios aspectos para o projeto, mas pode ser útil ver como um projeto de circuito é realizado para dar uma visão sobre as técnicas e práticas utilizadas.
Neste exemplo, um projeto de circuito de diodo Zener / diodo de referência de tensão é usado para fornecer um trilho regulado de 5,1 Volts consumindo 2 mA, a partir de uma fonte de alimentação de 12 volts.
As seguintes etapas fáceis podem ser usadas para calcular o resistor necessário:
- Calcule a diferença de tensão no resistor em série
12 – 5,1 = 6,9 volts - Determine a corrente do resistor. Escolha este valor para 15 mA. Isso permitirá margem suficiente acima da corrente mínima do diodo Zener para alguma variação na corrente de carga.
- Verifique a dissipação de energia do diodo Zener. A uma corrente de 15 mA e uma tensão através da dissipação de energia é:
15 mA x 5,1 volts = 76,5 mW
Isso está bem dentro do limite máximo para o diodo - Determine a corrente através do resistor em série. Isso é 15 mA para o diodo Zener mais 2 mA para a carga, ou seja, 17 mA.
- Determine o valor do resistor em série. Usando a lei de Ohms, isso pode ser calculado a partir da queda de tensão e da corrente total através dele:
6,9 / 17 mA = 0,405 kohm
O valor mais próximo é 390 ohms - Determine a potência do resistor em série. Isso pode ser determinado usando o valor da corrente através do resistor e a tensão calculada anteriormente:
V x I = 6,9V x 17mA = 117mW
O resistor precisa ser capaz de dissipar esse nível de calor. Um resistor de um quarto de watt deve ser adequado para isso.
Este circuito de diodo Zener simples é amplamente utilizado como um método fácil de fornecer uma referência de tensão.
Circuito de diodo Zener para PSU com transistor em série
O projeto de circuito de diodo Zener muito simples que fornece a função de regulador de derivação, conforme mostrado acima, não é particularmente eficiente e não é praticável para muitas aplicações de corrente mais alta.
Uma solução é utilizar um circuito de diodo Zener que usa um buffer de transistor que atua como um transistor de passagem em série. O projeto do circuito simples é mostrado abaixo e aqui o transistor é usado como seguidor de emissor.
Ao utilizar este projeto de circuito de diodo Zener, a corrente necessária do mergulhador de potencial do resistor Zener deve ser calculada. Esta é a corrente do emissor do transistor dividida pelo ganho.
Ao escolher a tensão do diodo Zener, deve-se lembrar que a tensão do emissor será menor que a tensão do Zener pelo valor da tensão base-emissor – cerca de 0,6 volts para um transistor de silício.
Circuito de diodo Zener para proteção contra sobretensão
Outra forma de projeto de circuito de diodo Zener é um circuito de proteção contra sobretensão. Esses circuitos são frequentemente usados em unidades de fonte de alimentação para fornecer proteção contra falha de um transistor de passagem em série. Se isso acontecesse, uma tensão muito alta poderia ser aplicada ao circuito que está sendo alimentado, destruindo o valioso circuito.
O projeto do circuito de proteção do diodo Zener usa o diodo Zener de uma maneira ligeiramente diferente, detectando a corrente de ruptura através do diodo quando uma certa tensão é atingida.
Embora as fontes de alimentação sejam normalmente confiáveis, os efeitos do transistor de passagem em série ou da falha do FET podem ser catastróficos. Se o dispositivo de passagem em série falhar como um curto-circuito, toda a tensão não regulada seria colocada nos circuitos usando a energia regulada. Isso pode destruir todos os chips que estão sendo alimentados.
Uma solução é usar um circuito de pé de cabra. Quando este tipo de circuito detecta uma situação de sobretensão, ele dispara um SCR. Isso reduz rapidamente a tensão de saída e, no exemplo mostrado, queima um fusível que desconecta a alimentação da fonte de entrada.
Este projeto de circuito eletrônico opera disparando o SCR quando a sobretensão é detectada. O diodo Zener é escolhido para ter uma tensão acima da tensão normal de operação – margem suficiente para não disparar em condições normais de operação, mas pequena o suficiente para permitir que a corrente flua rapidamente quando a condição de falha é detectada.
Sob condições normais de operação, a tensão de saída está abaixo da tensão reversa do diodo Zener e nenhuma corrente flui por ele e a porta do SCR não é disparada.
No entanto, se a tensão subir acima da tensão permitida, ou seja, a tensão de ruptura do diodo Zener, o diodo Zener começará a conduzir, o SCR disparará e o fusível queimará.
Dicas de circuito de diodo Zener
O diodo Zener é um componente de circuito muito flexível e útil. No entanto, como qualquer outro componente eletrônico, existem algumas dicas e sugestões que permitem tirar o melhor proveito do diodo Zener. Um número está listado abaixo.
- Proteja o circuito do diodo Zener com um emissor ou circuito seguidor de fonte: Para manter a tensão do diodo Zener ou diodo de referência de tensão o mais estável possível, a corrente que flui através do diodo Zener deve ser mantida constante.Quaisquer variações na corrente consumida pela carga devem ser minimizadas, pois irão alterar a corrente através do diodo Zener e causar pequenas variações de tensão. As mudanças causadas pela carga podem ser minimizadas usando um estágio de circuito seguidor de emissor para reduzir a corrente retirada do circuito de diodo Zener e, portanto, as variações que ele vê. Isso também tem a vantagem de que diodos Zener menores podem ser usados.
- Conduza com uma fonte de corrente constante para melhor estabilidade: Outra forma de melhorar a estabilidade do Zener / diodo de referência de tensão é usar uma boa fonte de corrente constante para alimentar o diodo no projeto do circuito eletrônico.Um projeto de circuito simples usando apenas um resistor é adequado para muitas aplicações, mas uma fonte de corrente mais eficaz pode fornecer algumas melhorias no desempenho do circuito, pois a corrente pode ser mantida quase independentemente de quaisquer variações no trilho de alimentação.
- Escolha a tensão correta para melhor estabilidade: Em aplicações e projetos de circuitos eletrônicos onde é necessária estabilidade com mudanças de temperatura, o diodo de referência de tensão Zener deve ser escolhido para ter uma tensão de cerca de 5,5 volts.A razão para isso é que os coeficientes de temperatura para o efeito Zener e os efeitos de ionização de impacto são opostos e tendem a se anular em torno de 5,5 volts, onde os dois efeitos são exibidos juntos.O valor preferencial mais próximo é 5,6 volts, embora 5,1 volts seja outro valor popular em vista de sua proximidade com 5 volts necessários para algumas famílias lógicas. Onde diferentes níveis de tensão são necessários, o Zener de 5,6 volts pode ser usado e os componentes eletrônicos circundantes podem ser usados para transferir isso para o valor de saída necessário.
- Assegure corrente suficiente para quebra reversa: É necessário garantir que corrente suficiente seja passada através do diodo no projeto do circuito eletrônico para garantir que ele permaneça na condição de quebra reversa. Se houver corrente insuficiente, o dispositivo não funcionará corretamente.Para um dispositivo típico de 400 mW, uma corrente de cerca de 5 mA deve ser mantida. Para valores exatos de corrente mínima, deve-se consultar a folha de dados do dispositivo e tensão em particular. Se esta corrente mínima não for fornecida, o diodo não conduzirá adequadamente e todo o circuito não funcionará.
- Certifique-se de que os limites máximos de corrente não sejam excedidos para o diodo Zener: Embora seja necessário garantir que uma corrente suficiente passe pelo diodo Zener, os limites máximos não devem ser excedidos. Isso pode ser um ato de equilíbrio em alguns circuitos, pois variações na corrente de carga farão com que a corrente do diodo Zener varie.Deve-se tomar cuidado para não ultrapassar a corrente máxima ou a dissipação máxima de potência (tensão Zener x corrente do diodo Zener). Se isso parecer ser um problema, um circuito seguidor de emissor pode ser usado para armazenar em buffer o diodo Zener e aumentar a capacidade de corrente.
Os diodos Zener são muito fáceis de usar e, como resultado, há uma grande variedade de projetos de circuitos de diodos Zener diferentes. Quando usados com algumas precauções, eles funcionam bem, mas ocasionalmente podem causar alguns problemas, mas seguir as sugestões e dicas mencionadas acima deve ajudar a evitar a maioria dos problemas.
Os diodos Zener / diodos de referência de tensão são usados em uma variedade de projetos de circuitos eletrônicos diferentes. Eles são frequentemente encontrados em várias formas de circuito de alimentação onde podem fornecer um bom serviço e a um custo muito baixo. Sejam dispositivos de montagem em superfície ou chumbo, esses componentes eletrônicos são de baixo custo e fáceis de obter em praticamente todos os distribuidores e armazenistas de componentes eletrônicos.
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