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Eletrônica Básica 1
Aula  08: Diodo Zener - Regulador Zener
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L.  F. Eletronica Analogica. V2.  São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA,
A. Microeletronica

1. Diodo Zener
       Diodos Zener ou diodo de referencia são diodos de junção PN com características especificas em relação ao diodo comum.  São construídos para operar na região de ruptura. Em polarização direta o Zener se comporta como um diodo comum e em polarização reversa e na região de ruptura opera como regulador de tensão. A Figura 1 mostra as regiões de operação do Zener, símbolo e aspecto físico.

Figura 1 - Diodo Zener ( a ) simbolo  ( b ) aspecto fisico   ( c ) curva caracteristica

 
1.1. Características Elétricas
      No grafico da Figura 1c os principais valores de interesse são:
 
Vznom é tensão Zener nominal especificada pelo fabricante. A corrente correspondente é chamada IZt.
 
VZmin também chamada de VZk (tensão de joelho) é a menor tensão tensão de regulagem. A corrente correspondente é a mínima (IZmin) corrente que mantem o Zener regulando.
 
VZmáx é a máxima tensão, que está associada a máxima corrente (IZmáx) permitida sem que o componente seja destruído.
 
As principais especificações na hora de comprar um Zener são a potencia máxima e tensão nominal. Por exemplo, você pode encontrar um Zener de 5,6V/0,25 W ou 5,6V/0,5 W e assim por diante.
 
A potencia e a máxima corrente máxima estão relacionados por:

 Pmáx=VnomxIzmax
 
O valor de Izmin costuma ser uma fração de Izmax, por exemplo   Izmin=0,1xIzmax
                                                                           
1.2. Modelos do Zener (polarização reversa)
Em polarização direta o Zener se comporta como um diodo comum, apresentando um  queda de tensão de aproximadamente 0,7 V. Em polarização reversa podem ser usados dois modelos.

Modelo simplificadob.
Neste caso  a resistencia do Zener é considerada nula, Figura 2.O Zener é representado por uma bateria de valor Vz, Figura 2. Neste modelo a tensão nos terminais do Zener é constante não depende da corrente.


Figura 2 - Diodo Zener ( a ) Simbolo  ( b ) circuito equivalente simplificado ( c ) curva caracteristica modelo simplificado



Modelo considerando a resistencia
É um modelo mais completo, necessitando porem de uma analise mais complexa. Considera a resistencia  do Zener rz determinada pela inclinação da curva. A tensão nos terminais depende da intensidade da corrente, aumentando com o aumento da corrente.


                                                                     ( a )                                                                                     ( b )
Figura 3 - ( b ) circuito equivalente  completo ( c ) curva caracteristica modelo completo

No modelo completo a tensão nos terminais do Zener depende da corrente:



2. Regulador com Zener sem carga
 A Figura 4  mostra a polarização de um Zener  de 5,6 V de tensão nominal, para dois valores de fonte de alimentação, 12 V e 15 V. Se a corrente através do Zener estiver entre um valor mínimo e um valor máximo a tensão nos terminais do Zener será aproximadamente constante. No exemplo é um Zener 1N752 de 5,6 V de tensão nominal.



Figura 4 -  Zener polarizado com diferentes tensões de polarização

 
Exercício resolvido: Dimensionar os limites para R na Figura 4 se o Zener tem as especificações 5,6V/0,5W. Considerar que a fonte de alimentação é 12 V.
Solução: A maxima corrente que o Zener suporta, Izmax, pode ser calculada por:  

Pmáx=VnomxIzmax


 
O valor mínimo é um decimo do valor máximo, portanto   Izmin=8,9 mA

Determinando Rsmin

Se Rs diminuir muito a corrente no Zener pode exceder 89,3 mA destruindo-o. Para determinar  esse valor é desenhado  o circuito com o Zener no limite superior de corrente, I=89,3mA, Figura 5a. Considerando  que o Zener está regulando VZ=5,6 V então VR=12 – 5,6= 6,4 V e logo:


 
Qualquer valor abaixo de 71,6 Ohms faz a corrente maior que 89,3 mA e queima o Zener.

Se  Rs  aumentar muito a corrente no Zener não será suficiente para manter a regulagem, a tensão nos terminais diminui muito. A Figura 5b mostra o circuito no outro limite, isto é, Izmin = 8,9 mA. Como o Zener ainda  está regulando VZ= 5,6 V e portanto VR=6,4 V, portanto:

   
                       (  a  )                                               (  b )
Figura 5 -   ( a )   
Determinando Rmin      ( b )  Determinando Rmax
 


 
Conclusão: Os limites de R para que a tensão nos terminais do Zener seja aproximadamente 5,6 V são  Rmax=719 Ohms         Rmin=71,6 Ohms
 
Se for adotado o valor de 330 Ohms e  o mesmo deve poder dissipar:


2.1. Testando o Zener
Existem duas formas de testar um diodo Zener: Usando um ohmimetro ou usando um voltímetro.

Usando um ohmimetro
Como um Zener é basicamente uma junção PN, o teste é semelhante ao usado para testar um diodo comum, isto é, em polarização direta (anodo positivo em relação ao catodo) a resistência medida deve ser baixa enquanto em polarização reversa a resistência deve ser alta.
 
Usando um voltímetro
Deve ser usado um circuito de forma a polarizar reversamente conforme figura 6. Se a corrente através do Zener for suficientemente alta a medida de tensão indicará um valor próximo da tensão Zener. Por exemplo, se o Zener for o 1N752 a indicação deverá ser próxima de 5,6 V.

Figura 6 - Testando o Zener medindo Vz

3. Regulador com Zener com carga
A Figura 7 mostra o circuito de um regulador Zener, onde Ve na pratica é a tensão na saída do filtro de um retificador. O objetivo é manter a tensão na carga constante em aproximadamente  VZ, e para isso a corrente no Zener deve estar compreendida entre IZmax (corrente que destrói o componente) e IZmin=IZk (menor corrente que mantem a regulagem),
Figura 7 - Regulador com Zener com carga

 
Rs deve ser dimensionada de forma que o circuito mantenha a regulação mesmo que a carga varie entre um máximo (RLmax) e um mínimo (RLmin) ao mesmo tempo que a tensão de entrada varie entre dois limites (Vemáx e Vemin).

Exercício:  Considerando o Zener 1N4735 de 0,5W/6,2V  no circuito da Figura 7 calcule os limites (RLmax e RLmin) que pode ter RL para que o Zener possa operar dentro da região de regulação. Considerar modelo ideal para o Zener.

Figura 8 - Regulador para exercicio

 
Solução: Considerando o modelo ideal, e estando o Zener operando normalmente  (VL=VZ=6,2 V) a corrente IS valerá:
 


IZmáx  pode ser calculado por:

 
Estimando IZmin como sendo um decimo de IZmáx então IZmin= 8mA


Circuito com Izmin
Se RL diminuir muito, a corrente em RL aumenta diminuindo a corrente no Zener, logo existe um RLmin para o qual o Zener deixa de regular.  
Considerando que a corrente no Zener está no limite inferior para um RLmin.


Figura 9 - Regulador Zener do exercicio com Izmin

 
IL= 96,6 – 8 =88,6 mA o que significa uma resistência Rs de:



 
Valor mínimo de RL antes de perder a regulação, isto é, se RL,diminuir  abaixo desse valor, a corrente na carga será maior que 88,6 mA fazendo a corrente  no Zener cair abaixo de 8 mA e perdendo a regulagem (VZ cai baixo de 6,2 V).
 
Circuito com Izmáx
Se RL aumentar, diminui a corrente na carga, aumentando a corrente no Zener logo o RLmax  está associado à maior corrente no Zener (IZmáx ). Por exemplo se RL for infinito (circuito aberto) toda a  corrente em RS (96,6 mA) circulará  no Zener o que significará a destruição do mesmo.
Consideremos o caso limite superior de corrente no Zener, Figura 10.

Figura 10 - Regulador Zener do exercicio com Izmáx

 
A corrente na carga será igual a: IL = 96,6 – 80 =16,6 mA

Portanto o valor da carga nessas condições valerá:



 
O menor valor de RL antes de destruir o Zener.

Exercícios propostos
Para o circuito, determine a faixa de Ve que manterá VL constante e em 8 V e que não exceda potência máxima nominal do diodo Zener. Dados: Zener 8V/ 500 mW. Considerar modelo ideal para o Zener.



4. Experiencia: Regulador Zener sem carga
4.1.  Abra o arquivo    ExpEN1_16 Regulador_Zener  (Arquivo Proteus) e identifique o circuito da Figura 11. Anote o ripple de pico a pico no Zener para dois valores do ripple de entrada (Vripple), Meça tambem a tensão no Zener 1N4735A). Qual o valor nominal? Qual o valor medido?
Obs: para medir o ripple sobre o Zener, coçoque a chave de entrada em AC e diminua o Volts/Div até obter uma leitura adequada..


Figura 12 - Regulador Zener sem carga

Vripple(entrada)=2Vpk                          Vripple(zener)=                                 Vz (nominal)=                            Vz(Medido)=

4.2. Escreva as suas conclusões

5. Experiencia: Regulador Zener com carga
5.1.  Abra o arquivo    ExpEN1_16 Regulador_Zener e identifique o circuito da Figura 12.  Meça a tensão na carga, VL, para 15%, 20%, 50%, 70% e 100% do valor da carga de 1000 Ohms. O que acontece com a tensão no Zener (carga) quando a resistencia de carga aumenta? Justifique.

VL(15%)=                        VL(20%)=                         VL(50%)=                         VL(70%)=                         VL(100%)=

Obs: Para variar a resistencia use a letra A (maiuscula)  ou a (minuscula). Não esqueça, para variar enquanto o voltimetro está aberto voce deve ativar a janela clicando na parte superior onde está o nome do arquivo.

Figura 13 - Regulador Zener com carga


5.2. Escreva as suas conclusões.



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