Diodes Zener

introduction

Les diodes sont généralement connues comme un dispositif qui permet la circulation du courant dans une direction (polarisée en direct) et offre une résistance au flux de courant lorsqu'elles sont utilisées en polarisation inverse. La diode Zener (nommée d'après le scientifique américain C.Zener qui a d'abord expliqué ses principes de fonctionnement), d'autre part, permet non seulement la circulation du courant lorsqu'elle est utilisée en polarisation directe, mais elle permet également la circulation du courant lorsqu'elle est utilisée dans la polarisation inversée. jusqu'à présent, la tension appliquée est supérieure à la tension de claquage connue sous le nom de tension de claquage Zener. Ou en d'autres termes, la tension de claquage est la tension sur laquelle la diode Zener commence à conduire en sens inverse.

Principe de fonctionnement de la diode Zener:

Dans les diodes normales, la tension de claquage est très élevée et la diode est totalement endommagée si une tension au-dessus de la diode de claquage est appliquée, mais dans les diodes Zener, la tension de claquage n'est pas aussi élevée et n'entraîne pas de dommages permanents de la diode Zener si la tension est appliquée.

Lorsque la tension inverse appliquée à la diode Zener augmente vers la tension de rupture spécifiée (Vz), un courant commence à circuler dans la diode et ce courant est connu sous le nom de courant Zener et ce processus est connu sous le nom de panne d'avalanche . Le courant augmente au maximum et se stabilise. Ce courant reste constant sur la plage plus large de tension appliquée et permet à la diode Zener de résister à une tension plus élevée sans être endommagée. Ce courant est déterminé par la résistance série.

Considérez les images ci-dessous d'une diode normale en action.

Pour montrer les opérations de la diode Zener, considérons les deux expériences (A et B) ci-dessous.

Dans l' expérience A, une diode zener 12 V est connectée en polarisation inversée comme indiqué sur l'image et on peut voir que la diode zener a bloqué la tension efficacement parce qu'elle était inférieure / égale à la tension de claquage de la diode zener particulière et de la lampe ainsi est resté à l'écart.

Dans l' expérience B, une diode Zener 6v utilisée est conductrice (l'ampoule s'allume) en polarisation inverse car la tension appliquée est supérieure à sa tension de claquage et montre ainsi que la région de claquage est la région de fonctionnement de la diode Zener.

La courbe caractéristique courant-tension de la diode Zener est illustrée ci-dessous.

A partir du graphique, on peut déduire que la diode Zener fonctionnant en polarisation inverse aura une tension assez constante quelle que soit la quantité de courant fournie.

Applications de la diode Zener:

Les diodes Zener sont utilisées dans trois applications principales dans les circuits électroniques;

1. Régulation de tension

2. Clipper de forme d'onde

3. Shifter de tension

1. Diode Zener comme régulateur de tension

C'est sans doute l'application la plus courante des diodes Zener.

Cette application des diodes Zener repose fortement sur la capacité des diodes Zener à maintenir une tension constante indépendamment des variations du courant d'alimentation ou de charge. La fonction générale d'un dispositif de régulation de tension est de fournir une tension de sortie constante à une charge qui lui est connectée en parallèle indépendamment des variations de l'énergie tirée par la charge (courant de charge) ou des variations et instabilité de la tension d'alimentation.

La diode Zener fournira une tension constante à condition que le courant reste dans la plage du courant inverse maximum et minimum.

Le schéma de circuit montrant la diode Zener utilisée comme régulateur de tension est illustré ci-dessous.

Une résistance, R1 est connectée en série avec la diode Zener pour limiter la quantité de courant traversant la diode et la tension d'entrée Vin (qui doit être supérieure à la tension Zener) est connectée aux bornes comme indiqué sur l'image et la tension de sortie Vout, est prise à travers la diode Zener avec Vout = Vz (tension Zener). Étant donné que les caractéristiques de polarisation inverse de la diode Zener sont ce qui est nécessaire pour réguler la tension, elle est connectée en mode de polarisation inversée, la cathode étant connectée au rail positif du circuit.

Des précautions doivent être prises lors de la sélection de la valeur de la résistance R1, car une résistance de petite valeur entraînera un courant de diode important lorsque la charge est connectée et cela augmentera l'exigence de dissipation de puissance de la diode qui pourrait devenir supérieure à la puissance nominale maximale de le zener et pourrait l'endommager.

La valeur de la résistance à utiliser peut être déterminée à l'aide de la formule ci-dessous.

R ₁ = (V _dans - V _Z) / I _Z où; R1 est la valeur de la résistance série. Vin est la tension d'entrée. Vz qui est identique à Vout est la tension Zener et Iz est le courant Zener.

En utilisant cette formule, il devient facile de s'assurer que la valeur de la résistance sélectionnée n'entraîne pas un flux de courant supérieur à ce que le zener peut supporter.

Un petit problème rencontré avec les circuits de régulation à base de diodes Zener est que le Zener génère parfois du bruit électrique sur le rail d'alimentation tout en essayant de réguler la tension d'entrée. Bien que ce ne soit pas un problème pour la plupart des applications, ce problème peut être résolu par l'ajout d'un condensateur de découplage de grande valeur aux bornes de la diode. Cela aide à stabiliser la sortie du zener.

2. Diode Zener comme tondeuse de forme d'onde

L'une des utilisations des diodes normales est l'application de circuits d' écrêtage et de serrage qui sont des circuits utilisés pour façonner ou modifier une forme d'onde ou un signal CA d'entrée, produisant un signal de sortie de forme différente en fonction des spécifications de l'écrêteur ou de la pince.

Les circuits d' écrêteurs sont de manière générique des circuits qui sont utilisés pour empêcher le signal de sortie d'un circuit d'aller au-delà d'une valeur de tension prédéterminée sans changer aucune autre partie du signal d'entrée ou de la forme d'onde.

Ces circuits, ainsi que les clampers, sont largement utilisés dans les émetteurs de télévision analogique et de radio FM pour éliminer les interférences (circuits de blocage) et limiter les pics de bruit par écrêtage des pics élevés.

Les diodes Zener se comportant de manière générique comme des diodes normales lorsque la tension appliquée n'est pas égale à la tension de claquage, elles sont également utilisées dans les circuits d'écrêtage.

Les circuits d'écrêtage pourraient être conçus pour écrêter le signal dans les régions positive, négative ou les deux. Bien que la diode coupe naturellement l'autre région à 0,7 V, qu'elle ait été conçue comme un écrêteur positif ou négatif.

Par exemple, considérez le circuit ci-dessous.

Le circuit d'écrêtage est conçu pour couper le signal de sortie à 6,2 V, donc une diode Zener de 6,2 V a été utilisée. La diode Zener empêche le signal de sortie d'aller au-delà de la tension Zener quelle que soit la forme d'onde d'entrée. Pour cet exemple particulier, une tension d'entrée de 20 V a été utilisée et la tension de sortie sur l'oscillation positive était de 6,2 V compatible avec la tension de la diode Zener. Cependant, lors de l'oscillation négative de la tension alternative, la diode Zener se comporte comme la diode normale et coupe la tension de sortie à 0,7 V, conformément aux diodes en silicone normales.

Pour implémenter le circuit d'écrêtage pour l'oscillation négative du circuit alternatif ainsi que l'oscillation positive de telle sorte que la tension soit coupée à différents niveaux sur l'oscillation positive et négative, un double circuit d'écrêtage zener est utilisé. Le schéma de circuit du double circuit d'écrêtage Zener est illustré ci-dessous.

Dans le circuit d'écrêtage ci-dessus, la tension Vz2 représente la tension sur l'oscillation négative de la source alternative à laquelle le signal de sortie doit être écrêté, tandis que la tension Vz1 représente la tension sur l'oscillation positive de la source alternative à laquelle la tension de sortie que l'on souhaite couper.

3. Diode Zener comme shifter de tension

Le décaleur de tension est l'une des applications les plus simples mais intéressantes de la diode Zener. Si vous avez eu de l'expérience en particulier avec la connexion d'un capteur 3,3 V à un MCU 5 V, et avez vu de première main les erreurs de lecture, etc., que cela peut les conduire, vous apprécierez l'importance des décaleurs de tension. Les décaleurs de tension aident à convertir le signal d'une tension à une autre et avec la capacité de la diode Zener à maintenir une tension de sortie constante dans la région de claquage, cela en fait un composant idéal pour l'opération.

Dans un décaleur de tension basé sur une diode Zener, le circuit abaisse la tension de sortie, d'une valeur égale à la tension de claquage de la diode Zener particulière qui est utilisée. Le schéma du circuit du variateur de tension est illustré ci-dessous.

Considérez l'expérience ci-dessous,

Le circuit décrit un shifter de tension basé sur une diode Zener de 3,3 V. La tension de sortie (3,72 V) du circuit est donnée en soustrayant la tension de claquage (3,3 V) de la diode Zener de la tension d'entrée (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3,3 = 3,7 v

Le décaleur de tension tel que décrit précédemment a plusieurs applications dans la conception de circuits électroniques modernes, car l'ingénieur de conception peut devoir travailler avec jusqu'à trois niveaux de tension différents à certains moments pendant le processus de conception.

Types de diodes Zener:

Les diodes Zener sont classées en types en fonction de plusieurs paramètres qui incluent;

1. Tension nominale
2. Dissipation de puissance
3. Courant d'entraînement avant
4. Tension directe
5. Type d'emballage
6. Courant inverse maximum

Tension nominale

La tension de fonctionnement nominale d'une diode Zener est également connue sous le nom de tension de claquage de la diode Zener, en fonction de l'application pour laquelle la diode doit être utilisée, c'est souvent le critère le plus important pour la sélection de la diode Zener.

Dissipation de puissance

Cela représente la quantité maximale de puissance que le courant Zener peut dissiper. Le dépassement de cette puissance nominale entraîne une augmentation excessive de la température de la diode Zener, ce qui pourrait l'endommager et entraîner la défaillance des éléments qui y sont connectés dans un circuit. Ainsi, ce facteur doit être pris en compte lors de la sélection de la diode en tenant compte de son utilisation.

Courant Zener maximal

Il s'agit du courant maximal qui peut être passé à travers la diode Zener à la tension Zener sans endommager l'appareil.

Courant Zener minimum

Il s'agit du courant minimum requis pour que la diode Zener commence à fonctionner dans la région de claquage.

D'autres paramètres qui servent de spécification pour la diode doivent tous être pleinement pris en compte avant qu'une décision ne soit prise sur le type de diode Zener nécessaire pour cette conception particulière.

Conclusion:

Voici 5 points à ne jamais oublier sur la diode Zener.

1. Une diode Zener est comme une diode ordinaire seulement parce qu'elle a été dopée pour avoir une forte tension de claquage.
2. La diode Zener maintient une tension de sortie stable quelle que soit la tension d'entrée à condition que le courant Zener maximal ne soit pas dépassé.
3. Lorsqu'elle est connectée en polarisation directe, la diode Zener se comporte exactement comme la diode en silicone normale. Il conduit avec la même chute de tension de 0,7 V qui accompagne l'utilisation de la diode normale.
4. L'état de fonctionnement par défaut de la diode Zener est dans la région de claquage (polarisation inversée). Cela signifie qu'il commence réellement à fonctionner lorsque la tension appliquée est supérieure à la tension Zener en polarisation inverse.
5. La diode Zener est principalement utilisée dans les applications impliquant la régulation de tension, les circuits d'écrêtage et les décaleurs de tension.