Diode zener cours et exercices corrigés
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Théorie
La diode Zener est comme une diode de signal à usage général. Lorsqu'elle est polarisée dans le sens direct, elle se comporte exactement comme une diode de signal normale, mais lorsqu'une tension inverse lui est appliquée, la tension reste constante pour une large gamme de courants.
Panne d'avalanche: il y a une limite pour la tension inverse. La tension inverse peut augmenter jusqu'à ce que la tension de claquage de la diode atteigne. Ce point est appelé région de répartition des avalanches. À ce stade, un courant maximum traversera la diode Zener. Ce point de rupture est appelé «tension Zener». Fig 1: diode Zener
La diode Zener est utilisée dans sa "polarisation inverse". À partir de la courbe des caractéristiques IV, nous pouvons étudier que la diode Zener a une région dans ses caractéristiques de polarisation inverse de presque une tension négative constante quelle que soit la valeur du courant traversant la diode et reste presque constante même avec de grands changements de courant tant que le courant des diodes zener reste entre le courant de claquage IZ (min) et le courant nominal maximal IZ (max).
Cette capacité à se contrôler peut être utilisée à bon escient pour réguler ou stabiliser une source de tension contre les variations d'alimentation ou de charge. Le fait que la tension aux bornes de la diode dans la région de claquage soit presque constante s'avère être une application importante de la diode Zener en tant que régulateur de tension
Les caractéristiques
La figure 2 montre la courbe courant / tension pour une diode Zener. Observez la tension presque constante dans la zone de claquage.
Fig 2: Courbe caractéristique de la diode Zener
La région de polarisation directe d'une diode Zener est identique à celle d'une diode régulière. La tension directe typique à température ambiante avec un courant d'environ 1 mA est d'environ 0,6 volt. Dans la condition de polarisation inverse, la diode Zener est un circuit ouvert et seul un petit courant de fuite circule, comme indiqué sur le graphique exagéré. À l'approche de la tension de claquage, le courant commencera à tomber en avalanche. La transition initiale de la fuite à la panne est douce, mais le courant augmente rapidement comme indiqué sur le graphique. La tension aux bornes de la diode Zener dans la zone de claquage est presque constante avec seulement une petite augmentation de tension avec une augmentation du courant. À un certain niveau de courant élevé, la dissipation de puissance de la diode devient excessive et la pièce est détruite. Il existe un courant Zener minimum, Iz (min), qui place le point de fonctionnement dans la panne souhaitée. Il existe un courant Zener maximal, Iz (max), auquel la dissipation de puissance entraîne la température de jonction au maximum autorisé. Au-delà de ce courant, la diode peut être endommagée.
Les diodes Zener sont disponibles d'environ 2,4 à 200 volts en utilisant généralement la même séquence de valeurs que celle utilisée pour la série de résistances à 5% –2,4, 2,7, 3,0 3,3, 3,6, 3,9, 4,3, 4,7, 5,1, 5,6, 6,2, 6,8, 7,5 , 8.2, 9.1, 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, etc. Toutes les diodes Zener ont une puissance nominale, Pz. D'après la loi de Watt, le courant maximum est IZ (MAX) = PZ / VZ. Les diodes Zener sont généralement disponibles avec des puissances nominales de 0,25, 0,4, 0,5, 1, 2, 3 et 5 watts, bien que d'autres valeurs soient disponibles.
Diode Zener comme régulateurs de tension
La fonction d'un régulateur est de fournir une tension de sortie constante à une charge connectée en parallèle avec elle malgré les ondulations de la tension d'alimentation ou la variation du courant de charge et la diode Zener continuera de réguler la tension jusqu'à ce que le courant des diodes tombe en dessous de la valeur IZ (min) minimale dans la région de ventilation inverse. Il permet au courant de circuler dans le sens direct comme d'habitude, mais lui permettra également de circuler dans le sens inverse lorsque la tension est supérieure à une certaine valeur - la tension de claquage connue sous le nom de tension Zener. La diode Zener est spécialement conçue pour avoir une rupture de tension inverse à une tension spécifique. Ses caractéristiques sont par ailleurs très similaires aux diodes courantes. En cas de panne, la tension aux bornes de la diode Zener est proche de constante sur une large gamme de courants, ce qui la rend utile comme régulateur de tension shunt.
Le but d'un régulateur de tension est de maintenir une tension constante aux bornes d'une charge indépendamment des variations de la tension d'entrée appliquée et des variations du courant de charge. Un régulateur de dérivation de diode Zener typique est illustré à la figure 3. La résistance est sélectionnée de sorte que lorsque la tension d'entrée est à VIN (min) et le courant de charge est à IL (max), le courant à travers la diode Zener est au moins Iz ( min). Ensuite, pour toutes les autres combinaisons de tension d'entrée et de courant de charge, la diode Zener conduit l'excès de courant, maintenant ainsi une tension constante aux bornes de la charge. Le Zener conduit le moins de courant lorsque le courant de charge est le plus élevé et il conduit le plus de courant lorsque le courant de charge est le plus bas.
Fig 3: Régulateur shunt à diode Zener
S'il n'y a pas de résistance de charge, des régulateurs shunt peuvent être utilisés pour dissiper la puissance totale à travers la résistance série et la diode Zener. Les régulateurs shunt ont un avantage inhérent de limitation de courant dans des conditions de défaut de charge car la résistance série limite l'excès de courant.
Une diode zener de tension de claquage Vz est connectée en inverse à une source de tension d'entrée Vi à travers une résistance de charge RL et une résistance série RS. La tension aux bornes du zener restera stable à sa tension de coupure VZ pour toutes les valeurs du courant zener IZ tant que le courant reste dans la région de coupure. Par conséquent, une tension de sortie CC régulée V0 = VZ est obtenue aux bornes de RL, chaque fois que la tension d'entrée reste dans une tension minimale et maximale.
Fondamentalement, il existe deux types de réglementations telles que:
- a) Régulation de ligne
Dans ce type de régulation, la résistance série et la résistance de charge sont fixes, seule la tension d'entrée change. La tension de sortie reste la même tant que la tension d'entrée est maintenue au-dessus d'une valeur minimale.
Le pourcentage de régulation de ligne peut être calculé par =
où V0 est la tension de sortie et VIN est la tension d'entrée et ΔV0 est la variation de la tension de sortie pour une variation particulière de la tension d'entrée ΔVIN.
- b) Régulation de la charge
Dans ce type de régulation, la tension d'entrée est fixe et la résistance de charge varie. La tension de sortie reste la même tant que la résistance de charge est maintenue au-dessus d'une valeur minimale.
Pourcentage de régulation de charge =
où est la tension de résistance de charge nulle (c.-à-d. supprimer la résistance de charge et mesurer la tension
à travers la diode Zener) et est la tension de résistance à pleine charge
Concevoir un régulateur de tension
Lors de la sélection de la diode Zener, assurez-vous que sa puissance nominale maximale n'est pas dépassée.
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La diode Zener
Dans le tutoriel précédent, nous avons vu qu'une diode «polarisée en inverse» bloque le courant dans le sens inverse, mais souffrira d'une panne ou d'un endommagement prématuré si la tension inverse appliquée aux bornes est trop élevée.
Cependant, la diode Zener ou la «diode de rupture», comme on les appelle parfois, sont fondamentalement les mêmes que la diode de jonction PN standard, mais sont spécialement conçues pour avoir une faible tension de rupture inverse prédéterminée qui tire parti de cette tension inverse élevée. La diode zener est le type de régulateur de tension le plus simple et le point auquel une diode zener tombe en panne ou conduit est appelé «tension zener» (Vz).
La diode Zener est comme une diode de signal à usage général constituée d'une jonction PN en silicium. Lorsqu'elle est polarisée dans le sens direct, elle se comporte exactement comme une diode de signal normale passant le courant nominal, mais dès qu'une tension inverse appliquée à travers la diode zener dépasse la tension nominale de l'appareil, la tension de claquage des diodes VB est atteinte à quel point a Un processus appelé rupture d'avalanche se produit dans la couche de déplétion des semi-conducteurs et un courant commence à circuler à travers la diode pour limiter cette augmentation de tension.
Le courant qui passe maintenant à travers la diode Zener augmente considérablement jusqu'à la valeur maximale du circuit (qui est généralement limitée par une résistance série) et une fois atteint, ce courant de saturation inverse reste assez constant sur une large gamme de tensions appliquées. Ce point de tension de claquage, VB, est appelé «tension zener» pour les diodes zener et peut aller de moins d'un volt à des centaines de volts.
Le point auquel la tension zener déclenche le courant pour traverser la diode peut être contrôlé très précisément (à moins de 1% de tolérance) dans l'étape de dopage de la construction semi-conductrice des diodes, donnant à la diode une tension de claquage zener spécifique, (Vz) pour par exemple, 4,3 V ou 7,5 V. Cette tension de claquage zener sur la courbe I-V est presque une ligne droite verticale.
Caractéristiques de la diode Zener I-V
La diode Zener est utilisée dans son mode de «polarisation inverse» ou de panne inverse, c'est-à-dire que l'anode des diodes se connecte à l'alimentation négative. De la courbe des caractéristiques IV ci-dessus, nous pouvons voir que la diode zener a une région dans ses caractéristiques de polarisation inverse de presque une tension négative constante quelle que soit la valeur du courant traversant la diode et reste presque constante même avec de grands changements de courant comme tant que le courant des diodes zener reste entre le courant de claquageIZ (min) et le courant nominal maximal IZ (max).
Cette capacité à se contrôler peut être utilisée à bon escient pour réguler ou stabiliser une source de tension contre les variations d'alimentation ou de charge. Le fait que la tension aux bornes de la diode dans la région de claquage soit presque constante s'avère être une application importante de la diode Zener en tant que régulateur de tension.
La fonction d'un régulateur est de fournir une tension de sortie constante à une charge connectée en parallèle avec elle malgré les ondulations de la tension d'alimentation ou la variation du courant de charge et la diode Zener continuera de réguler la tension jusqu'à ce que le courant des diodes tombe en dessous de la valeur IZ (min) minimale dans la région de ventilation inverse.
Le régulateur de diode Zener
Les diodes Zener peuvent être utilisées pour produire une sortie de tension stabilisée avec une faible ondulation dans des conditions de courant de charge variables. En faisant passer un petit courant à travers la diode à partir d'une source de tension, via une résistance de limitation de courant (RS) appropriée, la diode zener conduira un courant suffisant pour maintenir une chute de tension de Vout.
Nous nous souvenons des didacticiels précédents que la tension de sortie CC des redresseurs demi-onde ou pleine onde contient une ondulation superposée à la tension CC et que, lorsque la valeur de la charge change, la tension de sortie moyenne change également. En connectant un simple circuit de stabilisation Zener comme illustré ci-dessous à la sortie du redresseur, une tension de sortie plus stable peut être produite.
Régulateur de diode Zener
La résistance RS est connectée en série avec la diode zener pour limiter le flux de courant à travers la diode avec la source de tension, VS étant connecté à travers la combinaison. La tension de sortie stabilisée Vout provient de la diode Zener. La diode Zener est connectée avec sa borne de cathode connectée au rail positif de l'alimentation CC, elle est donc polarisée en inverse et fonctionnera dans son état de panne. La résistance RS est sélectionnée de manière à limiter le courant maximum circulant dans le circuit.
Sans charge connectée au circuit, le courant de charge sera nul, (IL = 0), et tout le courant du circuit passe par la diode Zener qui à son tour dissipe sa puissance maximale. De plus, une petite valeur de la résistance série RS se traduira par un courant de diode plus élevé lorsque la résistance de charge RL est connectée et grande car cela augmentera l'exigence de dissipation de puissance de la diode, il faut donc faire attention lors de la sélection de la valeur appropriée de la résistance série afin que la puissance nominale maximale du zener n'est pas dépassée dans cette condition à vide ou à haute impédance.
La charge est connectée en parallèle avec la diode Zener, de sorte que la tension aux bornes de RL est toujours la même que la tension Zener (VR = VZ). Il existe un courant zener minimum pour lequel la stabilisation de la tension est effective et le courant zener doit rester au-dessus de cette valeur fonctionnant sous charge dans sa zone de claquage à tout moment. La limite supérieure de courant dépend bien sûr de la puissance nominale de l'appareil. La tension d'alimentation VS doit être supérieure à VZ.
Un petit problème avec les circuits de stabilisation de diode Zener est que la diode peut parfois générer du bruit électrique au-dessus de l'alimentation CC lorsqu'elle essaie de stabiliser la tension. Normalement, ce n'est pas un problème pour la plupart des applications, mais l'ajout d'un condensateur de découplage de grande valeur sur la sortie du zener peut être nécessaire pour donner un lissage supplémentaire.
Ensuite, pour résumer un peu. Une diode zener fonctionne toujours dans son état polarisé en inverse. Un circuit régulateur de tension peut être conçu en utilisant une diode Zener pour maintenir une tension de sortie CC constante à travers la charge malgré les variations de la tension d'entrée ou les changements du courant de charge. Le régulateur de tension zener est constitué d'une résistance de limitation de courant RS connectée en série avec la tension d'entrée VS avec la diode zener connectée en parallèle avec la charge RL dans cette condition de polarisation inverse. La tension de sortie stabilisée est toujours sélectionnée pour être identique à la tension de claquage VZ de la diode.
Exemple de diode Zener n ° 1
Une alimentation stabilisée de 5,0 V doit être produite à partir d'une source d'entrée d'alimentation 12V CC. La puissance nominale maximale PZ de la diode Zener est de 2 W. En utilisant le circuit du régulateur zener ci-dessus, calculez:
une). Le courant maximum traversant la diode zener.
b). La valeur minimale de la résistance série, RS
c). Le courant de charge IL si une résistance de charge de 1 kΩ est connectée à travers la diode zener.
ré). Le courant zener IZ à pleine charge.
Tensions de diode Zener
En plus de produire une seule sortie de tension stabilisée, les diodes zener peuvent également être connectées ensemble en série avec des diodes de signal en silicium normales pour produire une variété de différentes valeurs de sortie de tension de référence comme indiqué ci-dessous.
Diodes Zener connectées en série
Les valeurs des diodes Zener individuelles peuvent être choisies en fonction de l'application, tandis que la diode au silicium chute toujours d'environ 0,6 à 0,7 V dans la condition de polarisation directe. La tension d'alimentation, Vin doit bien sûr être supérieure à la plus grande tension de référence de sortie et dans notre exemple ci-dessus, elle est de 19v.
Une diode zener typique pour les circuits électroniques généraux est la série 500 mW, BZX55 ou la plus grande série 1,3 W, BZX85 où la tension zener est donnée comme, par exemple, C7V5 pour une diode 7,5 V donnant un numéro de référence de diode BZX55C7V5.
La série de 500 mW de diodes zener est disponible d'environ 2,4 à environ 100 volts et a généralement la même séquence de valeurs que celle utilisée pour la série de résistances à 5% (E24) avec les tensions nominales individuelles pour ces diodes petites mais très utiles sont données dans Le tableau ci-dessous.
