O díodo Zener aproveita a ruptura inversa de uma junção PN fortemente dopada para manter uma tensão quase constante nos seus terminais. Este comportamento distingue-o radicalmente de um díodo de sinal ou de retificação, para o qual a ruptura inversa é um modo de falha. Neste caso, a ruptura inversa é o regime normal de funcionamento.
Resistência dinâmica e corrente de teste: o que a ficha técnica não explica suficientemente
A tensão Zener indicada numa ficha técnica corresponde a uma corrente de teste específica. Fora deste ponto de funcionamento, a tensão real pode afastar-se significativamente do valor nominal.
É a resistência dinâmica que explica este desvio. Na zona de ruptura, qualquer variação da corrente que atravessa o díodo provoca uma variação proporcional da tensão nos seus terminais. Quanto menor for esta resistência, mais rigorosa será a regulação.
Com correntes baixas, perto do joelho da curva característica, a regulação deteriora-se consideravelmente. Um Zener polarizado a um décimo da sua corrente de teste nominal pode apresentar uma tensão significativamente inferior à esperada. Recomendamos que consulte sempre a curva completa corrente-tensão do componente, em vez de se basear num único valor tabelado.
Um artigo que explica em detalhe o funcionamento de um díodo Zener confirma que esta resistência dinâmica deve ser avaliada no ponto de funcionamento real do circuito, e não apenas nas condições nominais especificadas pelo fabricante.
Díodo Zener e díodo TVS: dois componentes que são frequentemente confundidos
Um erro comum é utilizar um Zener padrão para proteger um circuito contra transientes rápidos. Um Zener de regulação e um TVS não são intercambiáveis.
O Zener é caracterizado para funcionar em regime contínuo: a tensão nominal, a potência dissipada e a resistência dinâmica são especificadas em condições estáticas ou quase estáticas. O TVS, por sua vez, é especificado para impulsos de curta duração, com uma tensão de limitação e uma forma de onda definidas de acordo com normas de imunidade específicas.
Critérios para escolher entre Zener e TVS
- O Zener é adequado para a regulação de tensão, como referência de tensão e para a polarização de componentes ativos em regime permanente
- O TVS é dimensionado para absorver picos de energia transitórios (ESD, sobretensões de comutação) sem ultrapassar a sua tensão de limitação durante o impulso
- Os parâmetros de seleção são diferentes: o Zener é escolhido pela tensão nominal e pela potência contínua; o TVS, pela tensão de standoff, pela tensão de limitação e pela capacidade de dissipar a energia de um impulso normalizado
Colocar um Zener onde é necessário um TVS expõe o circuito a uma tensão de limitação mal controlada e à rápida destruição do componente se o impulso exceder a potência contínua admissível.
Dimensionamento de um circuito de regulação shunt com díodo Zener
O circuito de regulação shunt é a aplicação mais comum do díodo Zener. O díodo é colocado em paralelo com a carga, enquanto uma resistência em série limita a corrente proveniente da alimentação.
Parâmetros a determinar para o dimensionamento
A resistência em série deve ser calculada de modo a que a corrente que atravessa o Zener permaneça dentro da sua faixa de corrente admissível: acima da corrente mínima de regulação (o joelho da curva característica) e abaixo da corrente máxima determinada pela potência dissipada.
A tensão de saída regulada corresponde à tensão do Zener, subtraindo a queda na resistência dinâmica multiplicada pela variação da corrente. Quanto maior for o consumo da carga, menor será a corrente no Zener, e vice-versa. Se a carga for desligada, toda a corrente atravessa o Zener: este é o caso mais desfavorável em termos de dissipação térmica.
A potência dissipada pelo Zener sem carga determina a potência nominal do componente. Um Zener num encapsulamento SOD-323 não dissipa a mesma energia que um DO-41. O subdimensionamento neste aspeto provoca um aquecimento excessivo, que altera a tensão de ruptura e pode destruir o componente.
Coeficiente de temperatura e estabilidade da tensão Zener
O comportamento térmico de um Zener não é um pormenor secundário. O aquecimento altera a tensão de ruptura, e este desvio depende do mecanismo físico predominante.
Nos díodos com tensão nominal inferior a cerca de cinco volts, predomina o efeito Zener puro (efeito túnel). O coeficiente de temperatura é então negativo: a tensão diminui quando a temperatura aumenta. Acima deste valor, prevalece a ruptura por avalanche, com um coeficiente positivo.
Por volta dos cinco volts, os dois mecanismos compensam-se parcialmente, produzindo componentes com um desvio térmico muito reduzido. É por isso que os díodos de referência de tensão são frequentemente especificados nesta faixa.
Aplicações como referência de tensão
Em circuitos de conversão analógico-digital ou em fontes de alimentação de precisão, a estabilidade da referência determina a precisão global do sistema. Um Zener escolhido na zona de compensação térmica e associado a uma corrente de polarização estável fornece uma referência de tensão utilizável sem circuito de compensação externo.
Nas aplicações em que o desvio residual continua a ser demasiado elevado, preferem-se referências de tensão integradas (bandgap), mas o Zener continua a ser uma opção pertinente em circuitos discretos de custo controlado.
A escolha de um díodo Zener depende menos da sua tensão nominal do que do conjunto dos seus parâmetros no ponto de funcionamento real: resistência dinâmica, corrente de teste, potência dissipada e coeficiente de temperatura. Um componente corretamente dimensionado para o seu contexto térmico e elétrico proporciona uma regulação fiável durante décadas. Ignorar qualquer um destes parâmetros pode transformar um regulador numa fonte de falhas intermitentes.
