Regolatore di tensione con diodo Zener: come progettarlo

Come funziona il regolatore

Nel circuito, la tensione di ingresso V_in alimenta un resistore serie R_s. Il diodo Zener è collegato in inversa ai capi dell'uscita, in parallelo al carico. Quando la tensione inversa raggiunge V_Z, lo Zener conduce e la sua tensione cambia pochissimo al variare della corrente, quindi l'uscita resta vicina a V_Z.

La corrente in R_s è I_s = (V_in − V_out) / R_s e si ripartisce tra carico e Zener: I_s = I_L + I_Z. Quando il carico assorbe più corrente, lo Zener ne assorbe meno, e viceversa. Il totale attraverso R_s resta circa costante, ed è per questo che l'uscita si mantiene stabile.

La regolazione funziona solo finché la corrente dello Zener resta tra un minimo e un massimo. Sotto la corrente di ginocchio lo Zener smette di regolare, e oltre la sua potenza nominale si surriscalda.

Le caratteristiche dello Zener che contano

Quattro valori del datasheet guidano il progetto.

• V_Z, la tensione Zener, è la tensione di uscita regolata.
• r_z, la resistenza dinamica, indica di quanto cambia l'uscita per unità di corrente dello Zener: ΔV = r_z × ΔI_Z. Un r_z più piccolo significa una regolazione migliore.
• La corrente di ginocchio è la corrente minima per una regolazione stabile.
• La potenza massima nominale limita la corrente a I_Z,max = P_max / V_Z.

Il simulatore dello Zener di Curvo Studio modella il lato inverso così. Sotto V_Z scorre una piccola corrente di dispersione, che cresce verso la corrente di ginocchio quando la tensione si avvicina a V_Z. Sopra V_Z il modello è lineare: I = I_knee + (V − V_Z) / r_z. Il preset BZX55C5V1, quello predefinito, ha V_Z = 5,1 V, r_z = 17 Ω, una corrente di ginocchio di 1 mA e una potenza nominale di 500 mW.

Dimensionare il resistore serie

Scegli R_s in modo che lo Zener mantenga sempre almeno una corrente minima di sicurezza, anche alla tensione di ingresso più bassa e alla corrente di carico più alta.

R_s = (V_in,min − V_Z) / (I_Z,min + I_L,max)

Scegli I_Z,min nettamente sopra la corrente di ginocchio, per esempio alcuni milliampere, così la regolazione regge anche quando cambiano l'ingresso o la temperatura.

Poi verifica l'altro estremo: la tensione di ingresso più alta con il carico più leggero, di solito a vuoto. Tutta la corrente passa nello Zener:

I_Z,max = (V_in,max − V_Z) / R_s − I_L,min

La potenza dello Zener è P_Z = V_Z × I_Z,max e deve restare sotto il valore nominale del diodo. Il resistore dissipa P_R = (V_in,max − V_Z)² / R_s, quindi scegline uno con potenza nominale superiore.

Se la verifica non è soddisfatta, aumenta R_s, il che riduce la corrente e restringe il campo di carico che si può alimentare, oppure usa uno Zener con potenza nominale maggiore.

Esempio svolto: regolatore a 5,1 V

Progetta un regolatore con il BZX55C5V1 (V_Z = 5,1 V, 500 mW, ginocchio a 1 mA) per un ingresso da 9 V a 12 V e un carico da 0 a 20 mA. Scegli I_Z,min = 5 mA.

1. R_s = (9 − 5,1) / (0,005 + 0,020) = 156 Ω. Usa il valore standard 150 Ω, che mantiene la corrente minima dello Zener leggermente più alta. 2. Caso peggiore per lo Zener, ingresso a 12 V e carico a vuoto: I_Z = (12 − 5,1) / 150 = 46 mA, quindi P_Z = 5,1 × 0,046 ≈ 235 mW. È inferiore a 500 mW. 3. Potenza del resistore a 12 V: (12 − 5,1)² / 150 ≈ 0,32 W, quindi usa un resistore da 0,5 W. 4. Verifica il caso minimo, 9 V in ingresso e carico da 20 mA: I_Z = 3,9 / 150 − 0,020 = 6 mA, sopra il ginocchio di 1 mA.

Il calcolo a mano tratta lo Zener come un generatore ideale da 5,1 V. Il modello del simulatore include anche r_z, quindi l'uscita si sposta un poco. A 9 V e 20 mA si assesta vicino a 5,18 V con circa 5,5 mA nello Zener, e a 12 V a vuoto vicino a 5,79 V con circa 41 mA. L'uscita varia quindi di circa 0,6 V mentre l'ingresso cambia di 3 V e il carico spazia su tutto il suo campo.

Campo di carico e limiti

Il regolatore può fornire solo correnti di carico fino a I_L,max = (V_in,min − V_Z) / R_s − I_Z,min. Con il resistore da 150 Ω a 9 V sono 26 mA − 5 mA = 21 mA. La resistenza di carico più bassa che può alimentare mantenendo 5,1 V è circa 5,1 / 0,021 ≈ 243 Ω.

Un regolatore Zener è semplice ma dispendioso. Il resistore e lo Zener dissipano potenza anche quando il carico non assorbe nulla, e l'uscita continua a variare con l'ingresso e il carico perché r_z non è zero. Per carichi maggiori, i progettisti aggiungono un transistor o usano un regolatore dedicato. Lo Zener è comunque molto usato come riferimento di tensione e come protezione contro le sovratensioni.

Il simulatore modella una potenza nominale fissa. Gli Zener reali vanno declassati al crescere della temperatura, quindi in un progetto reale lascia un margine in più.

Provalo nel simulatore dello Zener

Apri il simulatore del diodo Zener con il preset BZX55C5V1 e imposta una tensione applicata negativa, cioè la polarizzazione inversa.

• A −3 V la corrente è di appena circa 0,04 mA di dispersione.
• A −5,1 V la corrente è la corrente di ginocchio di 1 mA.
• A −5,79 V è circa 41 mA, con circa 240 mW di dissipazione. Corrisponde al caso a 12 V e a vuoto visto sopra.
• Continua ad abbassare la tensione. Vicino a −6,4 V la corrente è circa 79 mA, la potenza supera 0,5 W e il simulatore segnala il dispositivo in sovraccarico.

Confronta la curva con l'esempio svolto. La pendenza della regione di regolazione è 1 / r_z, quindi cambiando r_z nel pannello cambia quanto resta piatta l'uscita.