Neste post vamos conhecer os diodos Zeners, verificar o seu funcionamento, e fazer a resolução de alguns exercícios. Os diodos Zeners são componentes semicondutores utilizados para estabilizar a tensão entre seus terminais.

Abaixo são apresentados alguns encapsulamentos de diodos zeners que podem ser encontrados:

Os diodos Zeners são projetados para operar em sua faixa de tensão reversa, diferentemente dos diodos semicondutores comuns, que caso atinja a tensão reversa podem se danificar. Abaixo é mostrado a curva característica de um diodo Zener.

Funcionamento

No vídeo a seguir é apresentado o funcionamento dos diodos Zeners. No caso estou utilizando um diodo Zener de 4.7 V com um circuito divisor resistivo para ser usado como entrada digital para microcontroladores.

Análise de circuitos com diodos Zeners

Vamos fazer a análise do circuito a seguir:

Precisamos manter a tensão na carga constante em 4.7V e a tensão de entrada pode variar de 10 V até 30 V. Para que diodo Zener funcione é necessário que a tensão de aplicada em seus terminais seja maior do que sua tensão zener.

Consultado o datasheet do 1N750 verificamos que a corrente de teste é de 20 mA e que a corrente máxima é de 75 mA. Vamos fazer os cálculos para 30 V, considerando uma corrente de 35 mA na carga. Como a tensão na carga (R2) será de 4.7 V, aplicando a lei de ohm obtemos o valor da resistência de carga:

Vamos determinar o valor do resistor R1, para isso vamos calcular o valor da tensão sobre o resistor R1, que é 30 V menos a tensão de zener que é de 4.7 V, com isso vamos uma obter uma tensão em R1 igual a 25.3 V.

Agora para obtermos o valor do resistor R1 precismos ter o cuidado de considerar a corrente de operação do Zener e a corrente da carga. Para isso podemos somar a corrente da carga de 35 mA mais um corrente de pelo menos 25 mA para que o diodo Zener funcione adequadamente. Vamos calcular o valor do resistor considerando uma corrente de 60 mA.

Simulação

Abaixo é apresentado o resultado da simulação do circuito para 30 V:

       --- Operating Point ---

V(vz):	 4.71138	 voltage
V(vin):	 30	 voltage
I(D1):	 0.0247661	 device_current
I(R1):	 0.0599256	 device_current
I(R2):	 0.0351595	 device_current
I(V1):	 0.0599256	 device_current

Vamos fazer a mesma simulação para uma tensão de fonte de 10 Volts:

       --- Operating Point ---

V(vz):	 2.40953	 voltage
V(vin):	 10	 voltage
I(D1):	 5.343e-06	 device_current
I(R1):	 0.0179869	 device_current
I(R2):	 0.0179816	 device_current
I(V1):	 0.0179869	 device_current

Observamos que o circuito não consegue manter a tensão em 4.7 V como desejado. Refazendo os cálculos para uma tensão de alimentação de 10 V apenas para R1 obtemos R1 = 88 Ω.

Trocando os valores e repetindo a simulação obtemos os seguintes resultados:

       --- Operating Point ---

V(vz):	 4.87221	 voltage
V(vin):	 30	 voltage
I(D1):	 0.249183	 device_current
I(R1):	 0.285543	 device_current
I(R2):	 0.0363598	 device_current
I(V1):	 0.285543	 device_current

       --- Operating Point ---

V(vz):	 4.71174	 voltage
V(vin):	 10	 voltage
I(D1):	 0.0249317	 device_current
I(R1):	 0.0600939	 device_current
I(R2):	 0.0351622	 device_current
I(V1):	 0.0600939	 device_current

Conclusão

Neste post vimos o funcionamento dos diodos Zeners. Para aplicações onde não se exijam valores elevados de corrente pode ser interessante o uso de diodos Zeners, como por exemplo em circuitos de entrada digital para leitura de níveis de tensão. Em casos onde a corrente exigida seja maior deve-se considerar o uso de reguladores de tensão.

Neste post exploramos os aspectos básicos dos diodos Zeners, foi apresentado o caso de uso e maneira de se calcular os valores dos resistores. Existem outros parâmetros que podem ser importantes dependendo do projeto, como por exemplo, o coeficiente de temperatura.

Isso é tudo pessoal, não deixem de conferir outros posts no blog.