Diodo Zener 
Autor: ELETRÔNICA DO PAPAI NOEL | Publicado: 2015-10-22T20:40:00-02:00


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Contribuir para o fortalecimento da indústria e o desenvolvimento

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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 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;.




A partir do descobrimento
das propriedades eletrônicas da junção semicondutora pn e da fabricação de diodos e outros componentes, muitos estudos
têm sido realizados com os materiais semicondutores, em busca de fenômenos que
possibilitassem a construção de novos dispositivos. Um destes fenômenos se
refere ao efeito de ruptura de uma
junção semicondutora inversamente polarizada, que é utilizado na fabricação de
diodos que funcionam como reguladores de tensão em circuitos eletrônicos.&nbsp; O diodo semicondutor que opera utilizando
esse efeito é denominado de diodo Zener.


Este fascículo tratará das
características principais do diodo Zener, fornecendo informações
indispensáveis para que o leitor adquira o conhecimento necessário à utilização
daquele componente em aplicações de eletrônica como, por exemplo, na obtenção
de regulagem de tensão em fontes de alimentação.


Diodo Zener



O diodo Zener é um tipo
especial de diodo utilizado como regulador de tensão. A sua capacidade de
regulação de tensão é empregada principalmente nas fontes de alimentação, para
obtenção de uma tensão de saída praticamente constante.


A Fig.1 mostra o símbolo geralmente utilizado para representação do
diodo Zener nos diagramas de circuito







Comportamento do Diodo Zener



O comportamento do diodo
Zener depende fundamentalmente da forma como é polarizado, conforme discutido a
seguir.





POLARIZAÇÃO DIRETA



Quando polarizado
diretamente, o diodo Zener se comporta como um diodo convencional; ou seja,
operando no regime de condução com uma queda de tensão típica através de seus
terminais.



&nbsp;A Fig.2 mostra um circuito
utilizado para polarizar diretamente um diodo Zener de silício, juntamente com
a porção da curva característica representativa da região de condução do diodo.





Normalmente o diodo Zener
não é utilizado com polarização direta nos circuitos eletrônicos.



POLARIZAÇÃO INVERSA



Até um determinado valor da
tensão inversamente aplicada, o diodo Zener comporta-se como um diodo comum, ou
seja, operando no regime de bloqueio. Neste regime, circula através do diodo
uma pequena corrente de fuga, conforme ilustrado no gráfico da Fig.3







Na Fig.3, o sinal negativo
associado à corrente de fuga ou de saturação&nbsp;&nbsp;
(-Is )&nbsp; indica
que, no regime de bloqueio, a corrente flui no sentido inverso através do
diodo.



A partir de um determinado valor da tensão inversa aplicada ao diodo,
ocorre o efeito de ruptura, que faz
com que o diodo entre subitamente em condução, mesmo estando submetido a uma
polarização inversa, conforme ilustrado na Fig.4.
A partir dessa condição, a corrente inversa aumenta rapidamente e a queda de
tensão através do diodo se mantém praticamente constante.

O valor VZ da
tensão inversa a partir da qual o diodo Zener entra no regime de condução é
denominado de tensão Zener.







Enquanto houver corrente
inversa fluindo através do diodo Zener, a tensão entre os seus terminais
mantém-se praticamente fixada no valor VZ.

É importante observar que quando polarizado inversamente, qualquer
junção semicondutora pode sofrer o efeito de ruptura. A diferença fundamental
entre um diodo Zener e aquele aqui denominado de diodo comum ou convencional,
reside no fato de o diodo Zener ser fabricado com materiais semicondutores
condicionados a resistir ao valor intenso da corrente inversa presente no
regime de ruptura, ao passo que um diodo convencional seria danificado
permanentemente se submetido às mesmas condições de operação.







Características&nbsp;do Diodo Zener



São os seguintes os
parâmetros utilizados na caracterização do diodo Zener:



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Tensão Zener.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Potência máxima de dissipação.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Coeficiente de temperatura.

<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Tolerância.





TENSÃO ZENER



O valor da tensão Zener, ou
tensão de ruptura de um diodo é controlada durante o processo de fabricação e
depende da resistividade da junção semicondutora. A escolha adequada das
dimensões, tipo de material e grau de dopagem, possibilitam a operação normal
do diodo mesmo quando submetido a alto valor de corrente inversa. 



Os diodos Zener são
fabricados com valores do parâmetro Vz
que variam de 2 V até algumas dezenas de volts. O valor da tensão Zener é
fornecido pelo fabricante nos folhetos técnicos do componente.





POTÊNCIA MÁXIMA DE DISSIPAÇÃO





O diodo Zener operando com
uma tensão fixa Vz na região de ruptura, é
percorrido por uma alta corrente inversa, dissipando, portanto, potência na
forma de calor. A potência dissipada Pz pode
ser obtida do produto.










Cada diodo Zener pode operar
até um valor máximo da potência de dissipação, valor este que assegura a
operação normal do componente. Esse limite de potência é fornecido pelo
fabricante no folheto de especificações do diodo.&nbsp; 



Utilizando as
especificações do parâmetro Vz e
da potência máxima de dissipação Pz,máx, a corrente inversa máxima
de operação do diodo Iz,máx, pode ser calculada com o
auxílio da Eq.(1), resultando em









O valor da corrente,
calculado através da Eq.(2), não
pode ser excedido sob pena de danificação do diodo Zener por excesso de
aquecimento.



Diodos Zener com potência
máxima de dissipação de cerca de 1 Watt podem ser encontrados com
encapsulamentos de vidro ou plástico. Para operação a níveis mais altos de
potência, o componente é geralmente fabricado com um encapsulamento metálico,
do tipo mostrado na Fig.5 para
facilitar a retirada de calor do material semicondutor, minimizando, assim, o
aquecimento.







A faixa de valores de
corrente de operação do diodo Zener ilustrada na Fig.6, é determinada por dois valores limite, assim definidos:



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Iz,máx&nbsp;&nbsp; =&nbsp;&nbsp; valor máximo da corrente de
operação.



<!--[if !supportLists]-->·&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
<!--[endif]-->Iz,mín&nbsp;&nbsp; =&nbsp;&nbsp; valor mínimo da corrente de
operação.







O valor máximo é calculado
com o uso da Eq.(2), e o valor
mínimo é definido como 10% do valor máximo; ou seja,







COEFICIENTE DE TEMPERATURA



Os diodos Zener são
fabricados com materiais semicondutores, que sofrem influência da temperatura.
Esta influência se traduz em variações no valor da tensão Zener, a partir de variações
na temperatura de operação.



Esse efeito é
pré-especificado pelo fabricante, sendo caracterizado na forma de um coeficiente de temperatura que permite
determinar de quantos milivolts varia o valor Vz para cada grau centígrado de variação da temperatura.



Devido a uma diferença
existente entre os dois mecanismos responsáveis pela produção da corrente de
ruptura em um diodo Zener, o coeficiente de temperatura pode ser positivo ou
negativo. Essa diferença permite classificar dois grupos distintos de componente
conforme discriminado na Tabela 1.



Tabela 1 Divisão de componentes em
dois grupos de acordo com o sinal do coeficiente de temperatura.





 

  


Tensão Zener

  
Coeficiente de temperatura (mV/°C)

  


Observação

 

  


Vz £ 6V

  


Negativo

  
A tensão Zener diminui com o aumento da
  temperatura

 

  


Vz &gt; 6V

  


Positivo

  
A tensão Zener aumenta com o aumento da
  temperatura.

 



A curva característica da Fig.7
ilustra a dependência térmica da tensão Zener para um componente com
coeficiente de temperatura positivo.





TOLERÂNCIA



A tolerância do componente
especifica a variação que pode existir entre o valor especificado e o valor real da tensão inversa de operação do
diodo Zener. Isso significa que um diodo Zener de 12 V pode ter uma tensão
inversa real, por exemplo, de 11,5 V.










A tolerância juntamente com
os parâmetros de operação são especificados pelos fabricantes por um código de
identificação do componente, conforme descrito na Tabela 2.

Tabela 2 Formas de especificação da
tolerância de diodos Zener a partir dos códigos de identificação.



 

  
  
Tolerância

  
  
Especificação da tolerância

  
  
Exemplo

 

  
  
5%

  
  
O último elemento do código de identificação é a
  letra A

  
  
Cód. de
  ident.: 1N4742 A

Caracteriza um diodo Zener de 12V, 1W, com
  tolerância de 5%

 

  
  
10%

  
  
O último elemento do código de identificação é um
  numeral

  
  
Cód. de
  ident.: 1N4733

Caracteriza um diodo Zener de 5,1V, 1W, com
  tolerância de 10%

 




A tolerância de 5% do
componente 1N4742A especificado na Tabela
2, indica que a tensão Zener pode variar no intervalo 11,4 V £ Vz
£ 12,6 V.&nbsp;
Já o componente 1N4733, de 10% de tolerância, teria uma tensão Zener
situada no intervalo 4,6 V £ Vz £ 5,6 V.
















DIODO ZENER IDEAL VERSUS REAL

O diodo Zener ideal é definido como aquele que, operando no regime de
ruptura, mantém a tensão absolutamente constante independente da corrente
inversa fluindo através de seus terminais.

A Fig.8 mostra a região de
ruptura da curva característica de um diodo Zener considerado ideal. Como pode
ser aí observado, tal dispositivo seria capaz de manter a tensão fixada em um
valor constante Vz para
valores distintos da corrente inversa através do diodo.





A região de ruptura de um diodo Zener real é caracterizada por uma
pequena variação da tensão Zener quando a corrente inversa é alterada, conforme
ilustra o gráfico da Fig.9. Porém,
considerando que a variação em Vz
seja muito pequena, o diodo Zener pode ser considerado ideal na maioria das
aplicações de interesse prático.