Diodi Zener - Elettronica Audio

Diodi Zener
Lo Zener è un particolare diodo costruito appositamente per sfruttare il funzionamento in valanga
del diodo. È infatti un diodo realizzato secondo caratteristiche particolari per dissipare potenza con
utilizzo in zona di "breakdown."
Il termine BREKDOWN indica lo stato limite di dissipazione di potenza.
Simbolo grafico del Diodo Zener
Il motivo della brusca pendenza della corrente INVERSA è dovuta principalmente da due casi:
l'effetto "valanga" e l'effetto "zener".
L'aumento della tensione inversa provoca un accelerazione degli elettroni che, aumentando la loro
energia, ionizzano il reticolo cristallino (valanga); ma possono anche spezzare i legami covalenti in
modo da estrarre elettroni (zener).
Questi due effetti si compensano per una tensione circa uguale a 6 V (a seconda del diodo zener
utilizzato si possono avere tensioni diverse).
Sopra i 6 V si ha l'effetto valanga, sotto si ha l'effetto zener.
Tuttavia, per quanto lieve, la dipendenza dalla corrente è sempre presente, e peggio ancora la
tensione di zener varia sensibilmente con la temperatura ambientale: per le sue caratteristiche gli
zener vengono utilizzati soprattutto per generare tensioni di polarizzazione e stabilizzazione di
alimentatori e non come campioni di tensione.
Poiché i diodi zener vengono utilizzati in polarizzazione inversa, si ha un effetto capacitivo
associato alla zona di svuotamento in prossimità della giunzione, questa capacità detta di transizione
varia tra valori trascurabili e qualche nF ed è rilevante per i diodi di elevata potenza in quanto
condiziona la massima frequenza di lavoro.
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Quindi ricapitolando possiamo dire che gli Zener sono utilizzati come protezione da sovratensioni,
oppure per stabilizzare una tensione, ossia per mantenerla costante, anche in presenza di un
aumento della corrente richiesta dal carico.
Anche i diodi zener hanno due terminali, l'anodo e il catodo, e quest'ultimo è quello in
corrispondenza della fascia stampata sul corpo. (vedi foto)
Lo zener ha due parametri caratteristici:
la tensione, espressa in Volt
la potenza, espressa in Watt.
Nell'acquistare un diodo zener è necessario specificare la tensione e la potenza, ma esistono anche
delle sigle che ne identificano i valori.
Alcune sono sigle in codice, che iniziano solitamente per "1N", come per i diodi rettificatori, altre
contengono il valore di tensione in modo più esplicito. Vediamo le più diffuse di queste ultime
serie:
La serie BZX
la 55C e 79C per zener da 0,5W
la 85C per zener da 1,3W
La tensione è indicata con il valore stesso, contenente la lettera "V" al posto della virgola
per esempio:
6V8 per zener da 6,8 Volt
4V7 per zener da 4,7 Volt
12 per zener da 12Volt.
Quindi se acquistiano un diodo zener con su scritto:
BZX79C12 è un diodi zener da 12V 0,5W
BZX79C4V7 è uno zener da 4,7V 0,5W
BZX85C5V1 è uno zener da 6,8V 1,3W.
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La serie Z
la lettera Z, indica la potenza e precede il valore di tensione.
ZPD per zener da 0,5W
ZPY per zener da 1,3W
ZY per zener da 2W.
Esempio:
ZPD3,9V è uno zener da 3,9V 0,5W
ZPY3,9V è uno zener da 3,9V 1,3W
ZPY18V è uno zener da 18V 1,3W
ZY5,6V
è uno zener da 5,6V 2W.
il diodo Zener è equivalente ad un generatore di tensione.
Pertanto i dati di Tensione e di Potenza devono essere tenuti in grande considerazione nel
progettare un dispositivo che utilizzi i diodi Zener.
La Tensione di Zener (VZ)
Lo Zener, quando viene polarizzato in maniera diretta si comporta come un normale diodo, mentre
se viene polarizzato in maniera inversa tende a comportarsi come un circuito aperto fino ad un
certo valore di tensione, raggiunto il quale inizia bruscamente a condurre stabilizzando la tensione
ai suoi capi al valore riportata sul suo involucro.
Quindi lo Zener non conduce fino a quando non viene raggiunta la Vz, una volta superata questa
soglia, però, la corrente aumenta in maniera esponenziale tanto da portare in rapida distruzione il
componente stesso.
Per evitare la distruzione, e per far si che eplichi la sua funzione stabilizzatrice lo zener deve
sempre essere alimentato tramite una resistenza di caduta,il cui valore deve essere calcolato in
funzione della sua potenza e della tensione di alimentazione.
Per calcolare il valore ohmico della resistenza R1 dovremo utilizzare le seguenti formule:
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PER ZENER DA ½ WATT
Ohm = (Vcc - Vz) : (20 + mA) x 1.000
PER ZENER DA 1 WATT
Ohm = (Vcc - Vz) : (30 + mA) x 1.000
PER ZENER DA 2 WATT
Ohm = (Vcc - Vz) : (40 + mA) : 1.000
Dove:
Vcc = tensione di alimentazione ;
Vz = tensione di lavoro del diodo Zener;
mA = corrente in milliAmper che assorbe il circuito che dovremo alimentare;
20-30-40 = sono numeri fissi che dovremo sommare ai MilliAmper.
La resistenza, dimensionata nel valore con le formule di cui sopra, andrà posizionata come si vede
in figura:
Un esempio pratico:
Abbiamo una tensione di 30 volt da stabilizzare a 12 volt tramite un diodo zener da 1 watt, per poter
alimentare un circuito che assorbe 500 mA.
Calcoliamo la resistenza di caduta da applicare al diodo zener:
(30 - 12 ) : ( 30 + 500 ) x 1.000 = 33 ohm
Una vota stabilito il valore ohmico è necessario calcolare anche la potenza in watt della resistenza
di caduta, per farlo dovremo usare le seguenti formule:
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PER ZENER DA 1/2 WATT
Watt = (Vcc - Vz) x (20 + mA) : 1.000
PER ZENER DA 1 WATT
Watt = (Vcc - Vz) x (30 + mA) : 1.000
PER ZENER DA 2 WATT
Watt = (Vcc - Vz) x (40 + mA) : 1.000
Quindi:
( 30 - 12 ) x ( 30 + 500 ) : 1.000 = 9,54 watt
per cui utilizzeremo una resistenza da 33 ohm 10 watt.
Qualora non si disponesse di uno Zener della tensione richiesta, è possibile collegare in serie più di
uno Zener (anche di valore diverso) in questo modo le varie tensioni si sommano dando come
totale la somma delle tensioni di Zener dei singoli diodi. Così facendo, si somma anche la potenza
dissipabile dei singoli diodi.
ES: collegando in serie uno zener da 5,1V con uno da 7,5V otterremo una tensione stabilizzata di
12,6V.
Non solo ma potremo ottenere anche due tensioni stabilizzate,se collegassimo in serie uno zener da
12V e uno da 7,2V otterremo una tensione stabilizzata da 19,2V ed una da 7,2V.
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Collegando in serie quattro zener tutti dello stesso valore,ad esempio 5,1V otterremo quattro
tensioni stabilizzate: 20,4V - 15,3V - 10,2V - 5,1V.
Se si vuole elevare la tensione di uno zener si collega in serie un diodo al silicio, così facendo si
aumenta la tensione di 0,7V.
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Ponendo in serie due o più diodi al silicio si otterrà una tensione stabilizzata pari alla somma dello
zener più 0,7V per ogni diodo inserito.
Tenete sempre presente che, come qualsiasi altro componente, anche i diodi zener hanno una loro
tolleranza, per cui la tensione che stabilizzerete non avrà mai l'esatto valore riportato sull'involucro
del zener ma oscillerà +/- di due o quattro valori.
In altre parole se stabilizzerete una tensione di 5,1 volt potreste ritovarvi con una tensione compresa
tra 4,8 Volt e 5,4 volt.
Per concludere questa sesta lezione è necessario parlare del concetto di Vin(max) e di Vin(min).
La Vin (max) è la tensione che si presenta ai capi dei componenti di filtraggio (condensatori
elettrolitici di livellamento) quando, all'uscita dell'alimentatore non è presente alcun carico.
La Vin (min) è la tensione ai capi dei componenti di filtraggio quando all'uscita dell'alimentatore è
collegato il massimo carico previsto.
Tra queste due tensioni esiste la seguente relazione data dalla formula:
Vin (min) = Vin (max) x 0,9
La formula sopra citata ci fornisce un valore calcolato, in via del tutto cautelativo, rispetto alla
caduta di tensione che si potrebbe presentare in un determinato circuito. Comunque, si precisa che
la caduta di tensione non è un valore assoluto.
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