Como um diodo Zener regula a tensão?

O diodo Zener opera em ruptura reversa, em que sua tensão permanece próxima da tensão Zener nominal numa ampla faixa de corrente. Com um resistor em série a partir de uma fonte maior, o resistor absorve o excesso de tensão e o Zener mantém a saída perto de Vz; sua pequena resistência dinâmica define quanto a saída ainda varia com a corrente.

Como escolher o resistor em série de um regulador Zener?

Ele deve ser dimensionado para que chegue corrente suficiente ao Zener com a menor tensão de entrada e a maior corrente de carga: R = (Vin,min − Vz) / (Icarga,max + Iz,min). Depois verifica-se o pior caso, a maior tensão de entrada sem carga, em que o Zener absorve toda a corrente; sua dissipação Vz × Iz deve ficar abaixo da potência nominal.

Qual é a diferença entre um diodo Zener e um diodo comum?

Ambos conduzem no sentido direto. O diodo comum é feito para bloquear a tensão reversa e pode falhar se romper, enquanto o Zener é dopado para romper em uma tensão baixa específica, de cerca de 2 a 200 V, e operar ali continuamente. É usado em reverso como referência de tensão, regulador ou grampeador.

Simulador de Diodo Zener e Curva I–V

O que é um diodo Zener?

Uma junção feita para romper com segurança

Um diodo comum é destruído se a tensão reversa o empurra até a ruptura; o diodo Zener é uma junção de silício projetada para fazer exatamente isso, repetidas vezes, sem se danificar. A dopagem intensa nos dois lados da junção mantém a região de depleção fina, de modo que uma tensão reversa moderada já produz um campo interno forte. Abaixo de cerca de 5 V o mecanismo dominante é o efeito túnel quântico — o verdadeiro efeito Zener — enquanto acima de cerca de 6 V é a multiplicação por avalanche; dispositivos intermediários combinam os dois. O datasheet não os distingue, pois o comportamento externo é o mesmo.

O joelho e a região de regulação

Abaixo da tensão Zener nominal circula apenas uma pequena corrente de fuga reversa. Quando a corrente atinge a corrente de joelho, a curva se dobra abruptamente e o componente entra em regulação: novos aumentos de corrente elevam a tensão nos terminais apenas um pouco, na medida definida pela resistência dinâmica, tipicamente de poucos ohms a algumas dezenas. Essa planura é exatamente o objetivo — ao longo de uma grande variação de corrente, a tensão sobre o diodo quase não se move, por isso ele consegue manter uma referência ou um trilho de alimentação estável mesmo com a corrente mudando.

Como ler o datasheet

Os fabricantes especificam a tensão Zener em uma corrente de teste indicada, junto com a resistência dinâmica medida nesse mesmo ponto, a corrente de joelho abaixo da qual a regulação não é garantida, e a dissipação de potência máxima que o encapsulamento suporta antes de a junção superaquecer. Como a dissipação é tensão vezes corrente, um dispositivo com tensão Zener maior precisa operar com corrente menor para respeitar o mesmo limite de potência. A temperatura também desloca levemente a tensão — negativa abaixo de cerca de 5 V, positiva acima — algo relevante em referências de precisão.

Onde é usado

Alimentado por um resistor em série a partir de uma tensão mais alta, o diodo Zener forma o regulador de tensão mais simples: o resistor define a corrente e o diodo fixa a saída perto de sua tensão nominal, independentemente de variações moderadas de alimentação ou carga. O mesmo comportamento de fixação protege entradas sensíveis contra sobretensão, define uma referência estável para comparadores e conversores analógico-digitais, e aparece dentro de reguladores lineares e chaveados mais elaborados como a referência interna em torno da qual o resto do circuito é construído.

Perguntas frequentes

Como um diodo Zener regula a tensão?: O diodo Zener opera em ruptura reversa, em que sua tensão permanece próxima da tensão Zener nominal numa ampla faixa de corrente. Com um resistor em série a partir de uma fonte maior, o resistor absorve o excesso de tensão e o Zener mantém a saída perto de Vz; sua pequena resistência dinâmica define quanto a saída ainda varia com a corrente.
Como escolher o resistor em série de um regulador Zener?: Ele deve ser dimensionado para que chegue corrente suficiente ao Zener com a menor tensão de entrada e a maior corrente de carga: R = (Vin,min − Vz) / (Icarga,max + Iz,min). Depois verifica-se o pior caso, a maior tensão de entrada sem carga, em que o Zener absorve toda a corrente; sua dissipação Vz × Iz deve ficar abaixo da potência nominal.
Qual é a diferença entre um diodo Zener e um diodo comum?: Ambos conduzem no sentido direto. O diodo comum é feito para bloquear a tensão reversa e pode falhar se romper, enquanto o Zener é dopado para romper em uma tensão baixa específica, de cerca de 2 a 200 V, e operar ali continuamente. É usado em reverso como referência de tensão, regulador ou grampeador.

Diodo Zener