O diodo Zener como regulador de tensão
Autor: ELETRÔNICA DO PAPAI NOEL | Publicado: 2015-11-10T21:05:00-02:00


Missão do
Sistema SENAI



&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;Contribuir para o fortalecimento
da indústria e o desenvolvimento

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; pleno e
sustentável do País, promovendo a educação para o trabalho&nbsp; e&nbsp; a 

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
cidadania, a assistência técnica e tecnológica, a produção e
disseminação
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; de informação e a adequação, geração e
difusão de tecnologia.



O comportamento do diodo
Zener na região de ruptura permite a montagem de circuitos reguladores de
tensão, a partir de fontes que forneçam tensões onduladas, incluindo situações
em que a carga apresente um consumo variável.&nbsp;
Um diagrama representativo de um circuito regulador de tensão a diodo
Zener na saída de uma fonte de alimentação é ilustrado na Fig.1.







Para que o diodo Zener opere adequadamente como regulador de tensão é
necessário introduzir um resistor que limite a corrente inversa através do
diodo a um nível inferior ao valor máximo especificado pelo fabricante, conforme
indicado na Fig.2. Como pode ser aí
observado, o diodo deve ser conectado em paralelo com a carga, que fica assim
submetida à mesma tensão existente entre os terminais do Zener.







FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO REGULADOR



O circuito regulador com diodo Zener deve ser alimentado na entrada com
uma tensão pelo menos 40% superior ao valor da tensão Zener, para que possa
efetuar adequadamente a regulação. Por exemplo, se a tensão regulada for
especificada com um valor de 6V o circuito regulador deve utilizar um diodo
Zener com VZ&nbsp;= 6V e
ser alimentado com uma tensão de entrada de pelo menos 8,5V, como mostra a Fig.3.







Com base no diagrama de
circuito mostrado na Fig.4, a
corrente através do resistor limitador é dada pela soma



Is=Iz+Ir



onde: 



·&nbsp;&nbsp; Is&nbsp; =&nbsp; corrente através do resistor Rs;

·&nbsp;&nbsp; Iz&nbsp; =&nbsp; corrente inversa no diodo Zener;



·&nbsp;&nbsp; IR&nbsp;&nbsp; =&nbsp; corrente de carga.







Com o diodo Zener operando
na região de ruptura, a corrente através do resistor limitador é tal que a
queda de tensão se torna



&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Vs = Vent
– Vz&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 
(2)



onde:



·&nbsp;&nbsp; Vs&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; =&nbsp;&nbsp; queda de tensão no resistor limitador.



·&nbsp;&nbsp; Vent&nbsp;&nbsp; =&nbsp;&nbsp; tensão de entrada.



Existem três possibilidades de variação nas
condições de operação da fonte regulada:



·&nbsp;&nbsp; Variações no nível de tensão
de entrada.

·&nbsp;&nbsp; Variações na corrente de
carga.

·&nbsp;&nbsp; Variações no nível de tensão
de entrada e na corrente de carga.



A operação do circuito regulador mediante essas
condições é analisada a seguir.





VARIAÇÕES NO NÍVEL DE TENSÃO DE ENTRADA





Esta situação é muito comum
em circuitos eletrônicos alimentados pela rede elétrica ca, como resultado da ondulação na tensão cc obtida a partir do processo de retificação com ou sem filtro
capacitivo de saída. O comportamento do circuito regulador operando sob estas
condições é discutido a seguir.



Acréscimo no nível de tensão de entrada



Quando ocorre um acréscimo
no nível da tensão de entrada, esse aumento normalmente tenderia a ser
transferido diretamente para a carga. Entretanto, o diodo Zener estando em
paralelo com a carga mantém a tensão de saída constante.&nbsp; 





A Fig.5a mostra o circuito regulador submetido a um acréscimo na
tensão de entrada que varia de um valor Vent(t1) até um valor Vent(t2) entre os instantes de tempo
t1 e t2, de acordo com o gráfico da
Fig.5b. A este aumento de tensão
deve corresponder um aumento de corrente no circuito.





Fig.5 (a) Circuito regulador a diodo
Zener, com o gráfico ilustrativo do aumento na tensão de entrada em (b) e o aumento correspondente na corrente
através do diodo em (c).



O aumento de corrente no
circuito ocorre exclusivamente através do diodo Zener, conforme se pode
verificar a partir da curva característica mostrada na Fig.5c. Como pode ser aí observado, a corrente através do diodo que
no instantet1&nbsp;valia Iz(t1), aumenta para um valor Iz(t2).&nbsp; Isso faz que a tensão através
do diodo aumente do valor Vz(t1) para o valor Vz(t2).&nbsp; No entanto, como a região de
ruptura na curva característica é praticamente vertical, a variação na tensão
Zener é muito pequena, fazendo que a tensão na carga permaneça praticamente
constante.



&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Pela Eq.(1), um aumento no valor da corrente
Iz&nbsp;provoca um aumento na corrente Is&nbsp;através do resistor
limitador. Esse aumento de corrente provoca um aumento na queda de tensão Vs&nbsp;através do resistor. Como a tensão Zener se
mantém praticamente constante, conclui-se que o aumento no valor da tensão de
entrada é totalmente aplicado entre os terminais do resistor limitador.



Decréscimo no nível de tensão de entrada



A Fig.6a mostra o gráfico da tensão de entrada quando esta diminui de
um valor Vent(t1) até um valor Vent(t2). Nessa situação a corrente no circuito tende a diminuir.



De acordo com o que foi
discutido anteriormente, essa variação de corrente ocorre exclusivamente através
do diodo Zener, conforme se pode verificar a partir de um exame da curva
característica mostrada na Fig.6b. A
queda de tensão através do diodo, e por conseqüência através da carga, sofre um
decréscimo praticamente desprezível devido à característica vertical da curva
da Fig.6b na região de ruptura.







Como a tensão Zener se mantém praticamente
constante, conclui-se que o decréscimo no nível da tensão de entrada é
totalmente aplicado entre os terminais do resistor limitador.





&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; A
partir dessa análise pode-se extrair a seguinte conclusão, ilustrada
diagramaticamente na Fig.7:







VARIAÇÃO NA CORRENTE DE CARGA



&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Devido
à característica não ideal dos filtros capacitivos, a tensão de ondulação na
saída de uma fonte retificadora é influenciada pelo valor da corrente consumida
pela carga.





&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; O
diodo Zener, quando utilizado em um circuito regulador, possibilita que a
tensão de saída permaneça praticamente invariável independentemente do consumo
de corrente pela carga.





&nbsp;Para o circuito representado na Fig.8, admitindo-se que a tensão de entrada seja constante e que o
diodo Zener esteja operando na região de ruptura, a Eq.(2) indica que&nbsp; a queda de
tensão sobre o resistor&nbsp; limitador é
constante.









com o numerador da Eq.(3) representando a queda de tensão no resistor Rs.&nbsp; Dessa forma, a corrente Is&nbsp;permanece constante. 



&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Da Eq.(1), reproduzida a seguir,



&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Is = Iz
+ IR&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 
(1)



nota-se que, como a soma das correntes no segundo
membro é constante, então:




 

  
IR ­

  
Þ

  
Iz ¯

 






 

  
IR ¯

  
Þ

  
Iz ­

 







A partir das relações representadas no diagrama
anterior pode-se extrair a seguinte conclusão:



Para uma tensão de entrada constante, qualquer variação na corrente
através da carga é compensada por uma variação oposta na corrente através do
diodo Zener, de forma a manter a tensão na carga praticamente constante.



VARIAÇÕES NO NÍVEL DE TENSÃO DE ENTRADA E NA CORRENTE DE CARGA



&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Na
maioria dos casos os circuitos reguladores estão sujeitos a variações
simultâneas de tensão de entrada e de corrente de carga. Essas variações se
traduzem como variações de tensão e corrente nos elementos do circuito
regulador, que obedecem aos dois princípios seguintes:



<!--[if supportFields]><span style='font-size:14.0pt;mso-bidi-font-size:
10.0pt'>SYMBOL 183 \f
&quot;Symbol&quot; \s 10 \h<![endif]--><!--[if supportFields]><span
style='font-size:14.0pt;mso-bidi-font-size:10.0pt'><span style='mso-element:
field-end'><![endif]-->&nbsp;&nbsp;&nbsp; Variações na tensão de entrada
são transferidas diretamente para o resistor limitador.



<!--[if supportFields]><span style='font-size:14.0pt;mso-bidi-font-size:
10.0pt'>SYMBOL 183 \f
&quot;Symbol&quot; \s 10 \h<![endif]--><!--[if supportFields]><span
style='font-size:14.0pt;mso-bidi-font-size:10.0pt'><span style='mso-element:
field-end'><![endif]-->&nbsp;&nbsp;&nbsp; Variações na corrente de carga
são compensadas por variações opostas de corrente no diodo Zener.





&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Esses
dois princípios estão representados diagramaticamente na Fig.9.







FONTE DE ALIMENTAÇÃO COM TENSÃO DE SAÍDA REGULADA A DIODO ZENER




Uma fonte de alimentação com tensão de saída
regulada a diodo Zener se compõe basicamente dos três blocos representados na Fig.10.







Os blocos do diagrama da Fig.10 realizam as seguintes funções:



<!--[if supportFields]><span
style='font-size:14.0pt;mso-bidi-font-size:10.0pt'><span style='mso-element:
field-begin'>SYMBOL 183 \f &quot;Symbol&quot; \s 10 \h<![endif]--><!--[if supportFields]><b
style='mso-bidi-font-weight:normal'><span style='font-size:14.0pt;mso-bidi-font-size:
10.0pt'><![endif]-->&nbsp;&nbsp; Retificação: A tensão ca da rede elétrica é transformada em cc pulsada.



<!--[if supportFields]><b style='mso-bidi-font-weight:
normal'><span
style='mso-element:field-begin'>SYMBOL 183 \f &quot;Symbol&quot; \s 10
\h<![endif]--><!--[if supportFields]><b style='mso-bidi-font-weight:
normal'><span
style='mso-element:field-end'><![endif]-->&nbsp;&nbsp; Filtragem: A tensão cc pulsada é filtrada, fornecendo uma saída ondulada
próxima à tensão cc ideal.





<!--[if supportFields]><b style='mso-bidi-font-weight:
normal'><span
style='mso-element:field-begin'>SYMBOL 183 \f &quot;Symbol&quot; \s 10
\h<![endif]--><!--[if supportFields]><b style='mso-bidi-font-weight:
normal'><span
style='mso-element:field-end'><![endif]-->&nbsp;&nbsp; Regulação: A tensão cc ondulada é transformada em uma tensão
cc praticamente constante, como
mostrado na Fig.11.







A Fig.12
ilustra o aspecto de uma placa de circuito impresso configurada para
implementação de uma fonte cc com
tensão de saída regulada a diodo Zener, e os blocos correspondentes ao diagrama
da Fig.10. O reparo ou teste de um
circuito desse tipo pode ser realizado com base&nbsp;
no fluxograma mostrado na Fig.13.

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Fig.13 Fluxograma utilizado para o
reparo ou teste de uma fonte cc
regulada a diodo Zener.