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Diodo Zener      

I diodi Zener sono diodi costruiti per funzionare nella regione di breakdown, in prossimità della tensione di Zener VZ (ginocchio) dove la caratteristica del diodo diventa quasi verticale.

Ad un diodo normale viene applicata di consueto una tensione fra anodo e cadoto come indicato in figura (in blu) causandone in tal modo una polarizzazione diretta.

In tal modo il diodo è operativo nella sua zona caratteristica corrispondente al quadrante di piano superiore destro.

Quando viene applicata una polarizzazione inversa (in rosso) il diodo lavora nel quadrante di piano inferiore sinistro.

Superata la tensione di Zener VZ il rapporto        : cioè, a piccole variazioni di tensione corrispondono elevate escursioni di corrente causando un surriscaldamento del componente e una sua possibile conseguente distruzione. Per i normali diodi a giunzione la tensione di Zener VZ=5 ÷10V . Dicevamo che un diodo Zener è costituito in modo da poter lavorare in zona di polarizzazione inversa, il valore VZ dipende dalla resistività del materiale delle sue giunzioni. E' possibile fabbricare diodi Zener con VZ variabile fra qualche V e qualche centinaio di V. Il valore di VZ è sempre nominale ed è affetto da una tolleranza.

Abbiamo già visto come la caratteristica volt-ampere di un diodo a giunzione polarizzato direttamente possa essere schematizzata tramite una spezzata a secondo del tipo di approssimazione che vogliamo.

abbiamo notato come, in ogni caso, se polarizzato inversamente il diodo a giunzione debba essere considerato un circuito aperto. Il diodo tradizionale se polarizzato inversamente con tensione inferiore a quella di Zener rischia la rottura.
Queste considerazioni in zona di polarizzazione diretta continuano a valere per il diodo Zener ma, ovviamente, esistono anche delle schematizzazioni per la zona di lavoro inversa: Premesso che nella zona di interdizione VZ < V<0 il modello di funzionamento rimane quello di un circuito aperto.

Lo schema varia a secondo se vogliamo considerare la resistenza differenziale RD della zona di breakdown. Nel primo caso avremo:

nel secondo

La regola generale per considerare un circuito comprendente più diodi in un circuito consiste nel fare delle ipotesi sulla loro polarizzazione; si sostituiscono i diodi col loro circuito equivalente e si verifica che siano rispettate le condizioni per cui tale circuito equivalente è valido.


Stabilizzatore di tensione      

Un utilizzo tipico del diodo Zener è quello di stabilizzatore di tensione. Nel seguente circuito sia la corrente iL che passa nel carico RL, sia la tensione di uscita vo ai capi del carico stesso dipendono da vi ;

quindi se vi non è stabile non sono stabili conseguentemente iL e vo .

Il diodo Zener usato come stabilizzatore viene applicato tramite la seguente configurazione:

La resistenza R serve a limitare la corrente nello zener. Per la legge di Ohm:

trascurando in prima approssimazione la c.d.t. su RD si ha.   

Considerando che VZ è affetto da una tolleranza, la iL è massima quando la tensione VZ è massima, viceversa essa è minima quando VZ è minima.

              in pratica si usa la

con valori di R superiori non è garantita una corretta stabilizzazione. Valori più piccoli sono accettabili ma comportano una inutile dissipazione di potenza aggiuntiva.

poi per calcolare la tensione di uscita vo:

si riesce ad esprimere la vo in funzione della iL in modo indipendente dal carico RL. Se vogliamo, invece, valutare le escursioni della vo in funzione della vi si ha la convenienza ad usare il teorema di Millmann:

Viene introdotto il fattore di stabilizzazione (calcolato a vuoto in assenza di carico).

Ovviamente S è preferibile che sia il più basso possibile per cui si sceglie Rmax.

Ad esempio se nel circuito precedente viene usata R=150Ω RD=8Ω VZ=5V    iZmax=80mA. Calcola i valori massimi e minimi di IZ e vo per una vi variabile da 10 a 15V. Si ottiene:

                         

Se nel circuito precedente inseriamo un carico RL in parallelo allo Zener con Vi=10V e con una corrente nel carico che può variare fra 0 e 30mA, applicando la:

 

 

 

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