Il diodo Zener sfrutta il breakdown inverso di una giunzione PN fortemente drogata per mantenere una tensione quasi costante ai suoi capi. Questo comportamento lo distingue nettamente da un diodo di segnale o raddrizzatore, per il quale il breakdown inverso rappresenta una modalità di guasto. In questo caso, il breakdown inverso è il regime nominale di funzionamento.
Resistenza dinamica e corrente di prova: cosa la scheda tecnica non dice abbastanza
La tensione Zener indicata nella scheda tecnica corrisponde a una specifica corrente di prova. Al di fuori di questo punto di funzionamento, la tensione effettiva può discostarsi sensibilmente dal valore nominale.
È la resistenza dinamica a spiegare questo scostamento. Nella zona di breakdown, ogni variazione della corrente che attraversa il diodo provoca una variazione proporzionale della tensione ai suoi capi. Più bassa è questa resistenza, più precisa è la regolazione.
A basse correnti, in prossimità del ginocchio della caratteristica, la regolazione peggiora nettamente. Una Zener polarizzata a un decimo della sua corrente di prova nominale può presentare una tensione sensibilmente inferiore a quella prevista. Consigliamo di verificare sempre l’intera curva corrente-tensione del componente, anziché affidarsi a un unico valore tabulato.
Un articolo che approfondisce il funzionamento di un diodo Zener conferma che questa resistenza dinamica va valutata nel punto di funzionamento effettivo del circuito, non soltanto nelle condizioni nominali indicate dal produttore.
Diodo Zener e diodo TVS: due componenti che vengono spesso confusi a torto
Un errore frequente consiste nell’utilizzare una Zener standard per proteggere un circuito dai transitori rapidi. Un diodo Zener di regolazione e un TVS non sono intercambiabili.
Il diodo Zener è progettato per il funzionamento in regime continuo: la tensione nominale, la potenza dissipata e la resistenza dinamica sono specificate in condizioni statiche o quasi statiche. Il TVS, invece, è specificato per impulsi di breve durata, con una tensione di clamp e una forma d’onda definite secondo precise norme di immunità.
Criteri di scelta tra Zener e TVS
- Il diodo Zener è adatto alla regolazione della tensione, come riferimento di tensione e per la polarizzazione di componenti attivi in regime permanente
- Il TVS è dimensionato per assorbire picchi di energia transitori (ESD, sovratensioni di commutazione) senza superare la propria tensione di clamp durante l’impulso
- I parametri di selezione sono diversi: il diodo Zener si sceglie in base alla tensione nominale e alla potenza continua, il TVS in base alla tensione di standoff, alla tensione di clamp e alla capacità di dissipare l’energia di un impulso normalizzato
Usare un diodo Zener dove è necessario un TVS espone il circuito a una tensione di clamp non controllata e al rapido danneggiamento del componente se l’impulso supera la potenza continua ammissibile.
Dimensionamento di un circuito di regolazione shunt con diodo Zener
Il circuito di regolazione shunt è l’applicazione più diffusa del diodo Zener. Il diodo è collegato in parallelo al carico, mentre una resistenza in serie limita la corrente proveniente dall’alimentazione.
Parametri da determinare per il dimensionamento
La resistenza in serie va calcolata in modo che la corrente che attraversa il diodo Zener rientri nella sua finestra di corrente ammissibile: al di sopra della corrente minima di regolazione (il ginocchio della caratteristica) e al di sotto della corrente massima, determinata dalla potenza dissipata.
La tensione di uscita regolata corrisponde a quella del diodo Zener, al netto della caduta sulla resistenza dinamica moltiplicata per la variazione di corrente. Più il carico assorbe, meno corrente attraversa il diodo Zener, e viceversa. Se il carico viene scollegato, tutta la corrente attraversa il diodo Zener: è la condizione più sfavorevole per la dissipazione termica.
La potenza dissipata dal diodo Zener in assenza di carico determina la potenza nominale del componente. Un diodo Zener in package SOD-323 non dissipa la stessa potenza di uno in package DO-41. Sottodimensionare questo parametro provoca un surriscaldamento eccessivo, che modifica la tensione di breakdown e può distruggere il componente.
Coefficiente di temperatura e stabilità della tensione Zener
Il comportamento termico di un diodo Zener non è un dettaglio secondario. Il riscaldamento modifica la tensione di breakdown e questa deriva dipende dal meccanismo fisico dominante.
Nei diodi con tensione nominale inferiore a circa cinque volt prevale l’effetto Zener puro (effetto tunnel). Il coefficiente di temperatura è quindi negativo: la tensione diminuisce all’aumentare della temperatura. Oltre questo valore prevale il breakdown per valanga, con un coefficiente positivo.
Intorno ai cinque volt, i due meccanismi si compensano parzialmente, dando origine a componenti con una deriva termica molto ridotta. Per questo motivo, i diodi di riferimento di tensione sono spesso specificati in questo intervallo.
Applicazioni come riferimento di tensione
Nei circuiti di conversione analogico-digitale o negli alimentatori di precisione, la stabilità del riferimento determina la precisione complessiva del sistema. Un diodo Zener scelto nella zona di compensazione termica e abbinato a una corrente di polarizzazione stabile fornisce un riferimento di tensione utilizzabile senza un circuito di compensazione esterno.
Per le applicazioni in cui la deriva residua è ancora troppo elevata, si preferiscono riferimenti di tensione integrati (bandgap), ma il diodo Zener resta una soluzione valida nei circuiti discreti a costi contenuti.
La scelta di un diodo Zener dipende meno dalla tensione nominale che dall’insieme dei suoi parametri nel punto di funzionamento effettivo: resistenza dinamica, corrente di prova, potenza dissipata e coefficiente di temperatura. Un componente correttamente dimensionato nel suo contesto termico ed elettrico garantisce una regolazione affidabile per decenni. Trascurare anche uno solo di questi parametri può trasformare un regolatore in una fonte di guasti intermittenti.
