Stabilizzazione di tensione Zener

Stabilizzazione di tensione con diodo zener

Il diodo zener è un componente a semiconduttore (al silicio) la cui caratteristica voltamperometrica in polarizzazione diretta é simile a quella di un normale diodo rettificatore.

Del tutto analoga a quella di un normale diodo e anche la curva che si
ricava sottoponendo il componente ad una polarizzazione inversa di valore non eccessivamente elevato.

In questo caso, infatti, fra anodo e catodo influisce una corrente di fuga che, entro un certo intervallo della tensione inversa applicata, é
indipendente da questa e ha un’intensita di pochi microamper.

Se però si aumenta Ia polarizzazione inversa, si constata che c’é un valore della stessa al quale la corrente aumenta bruscamente portatandosi, se non oppurtunamente limitata, a un’intensità  anche molto elevata.
ll valore della tensione inversa a cui si manifesta questo fenomeno viene definito tensione V, di zener (0 anche di scarica 0 di breakdown).

Per i diodi nei quali il fenomeno si presenta per tensioni inferiori a 5 V il break-down sembra sia attribuibile all’effetto di campo (detto anche effetto zener), mentre sembra sia attribuibile all’effetto valanga nei diodi zener per i quali il break-down si manifesta per tensioni superiori a circa 7 V. Fra i 5 V e i 7 V il fenomeno pare sia dovuto ad una concomitanza dei due effetti.

La figura mostra in a la caratteristica ideale e in b la caratteristica reale di un diodo zener. Nella prima si vede come, raggiunta Ia tensione nominale Vzn che compete al diodo zener, si ha l’immediato passaggio in conduzione del componente e la sua tensione anodo-catodo si mantiene costante al valore Vzn per qualsiasi valore della corrente I, che lo attraversa (ovviamente entro i limiti di dissipazione indicati dal costruttore).

Nella seconda figura  b – si vede invece come sia opportuno cercare di mantenere il più possibile costante la corrente Iz, attraverso il diodo per avere ai capi di questo la tensione di zener nominale.

In a la carattcristica ideale (Rz = 0) e in b la caratteristica reale di un diodo zener (Rz > 0)

Le Case, semplificando i dati caratteristici, dei diodi zener forniscono in genere soltanto la potenza massima dissipabile, la tensione nominale di zener Vzn e talvolta la corrente Izn a cui corrisponde la Vzn.
Un altro dato normalmente fomito dal costruttore, è che esprime Io scostamento del comportamento reale dal comportamento ideale del diodo, é la resistenza dinamica Rz = ΔVz/ΔIz che, proprio per la non verticalità della curva caratteristica figura l b — può avere un basso valore ma comunque sempre diverso da zero.

E’ chiaro che la tensione Vz di un diodo zener sarà tanto più stabile al variare della corrente Iz quanto minore sarà la resistenza dinamica Rz. Diodi zener con resistenza dinamica di qualche ohm sono facilmente reperibili e a questi si farà ricorso particolarmente quando siano prevedibili notevoli escursioni della corrente del carico sottoposto alla tensione Vz.

L’effetto zener

Quando la tensione inversa applicata al diodo zener é particolarmente modesta, la corrente che in esso fluisce e in effetti somma della corrente di fuga superficiale e della normale corrente di saturazione dovuta alle sole cariche di minoranza che nella giunzione p-n trovano, contrariamente alle cariche di maggioranza, una barriera favorevole.
Se però la tensione inversa viene aumentata si può raggiungere un valore di campo tale da determinare una spontanea distruzione dei legami covalenti dei vari atomi del semiconduttore. (L’effetto zener e pertanto assai simile all’emissione elettrostatica che si manifesta in una superficie metallica in presenza di un intenso campo acceleratore).

La rottura dei legami covalenti determina la creazione di sempre nuove coppie elettroni-lacune e ciò comporta un via via crescente incremento della corrente. In tale processo consiste l’effetto zener.

L’effetto valanga

L’effetto valanga si manifesta quando gli elettroni, accelerati dal campo elettrico, acquistano sufficiente energia per spezzare i legami covalenti e dare cosi Iuogo alla formazione di nuove coppie elettroni-lacune. Le nuove cariche libere, a loro volta accelerate, danno origine per urto a nuove  coppie elettroni-lacune.

Si ha cosi un processo a catena che provoca un notevole aumento delle cariche libere e quindi una brusca caduta della resistivita che conduce ad un rapido aumento della corrente.
Questo processo, definito effetto valanga proprio per le sue modalita evolutive, si differenzia pertanto dall’effetto zener per essere essenzialmente dovuto ad un fenomeno di ionizzazione per urto.

Mentre infatti nell’effetto valanga la formazione di nuove coppie elettroni-lacune é determinata dall’impatto delle cariche libere accelerate dal campo con gli elettroni degli altri atomi del reticolo cristallino, nell’effetto zener la rottura dei legami avviene secondo un meccanismo pressoché
simile alla scarica negli isolanti.

Regolatore di tensione con diodo zener

Si consideri a titolo di esempio immediato, uno fra i più frequenti problemi che possono presentarsi in pratica. Si abbia quindi a disposizione una sorgente di tensione continua, per esempio una batteria d’auto a 12 V, e si voglia ottenere da questa una più bassa tensione che si mantenga il più possibile costante sia rispetto alle fluttuazioni della sorgente, sia rispetto alle variazioni della corrente richiamata dal carico.

La batteria al piombo presenta, come è noto, due inconvenienti che
normalmente non consentono il collegamento diretto di un’apparecchiatura ai suoi morsetti: il primo inconveniente può essere dovuto al fatto che l’apparecchiatura che si vuole alimentare necessita di una tensione di alimentazione inferiore a 12 V;

il secondo inconveniente é dovuto al fatto che la tensione della batteria non è costante, ma può variare fra circa 11 V e l4 V al variare del regime di marcia dell’autovettura e dello stato di carica.
Se la tensione della batteria restasse perfettamente costante a 12 V a qualunque regime, al limite basterebbe ricorrere ad un partitore puramente resistivo

il cui dimensionamento, nota la corrente assorbita dal carico, non presenta
difficoltà. Ma le oscillazioni della tensione di batteria non permettono questa soluzione e pertanto — considerazione del tutto generale —- al fine di ottenere ai morsetti di uscita una tensione costante comunque varino la tensione della sorgente e la corrente assorbita dal carico, sarà necessario ricorrere ad adeguati dispositivi elettronici.

ll più semplice di questi fa, appunto, uso del diodo zener disposto come
nella figura.
II funzionamento di questo circuito é semplice: se la corrente IL, richiamata dal carico aumenta, si ha una diminuzione della corrente Iz, nel diodo zener dal momento che la corrente It fomita dal generatore di tensione costante Vi é anch’essa costante.

Se, viceversa, la corrente IL, diminuisce, aumenta la corrente Iz. Più semplicemente, ad un incremento o a un decremento del carico
corrisponde, rispettivamente, un decremento o un incremento della corrente nel diodo zener. Poiché la corrente It si mantiene comunque costante, costante sarà anche la c. d. t. sulla resistenza Rz e ciò determina la costanza della Vo (a condizione di ritenere costante la tensione Vi di ingresso).

La stabilizzazione della tensione di uscita alle eventuali variazioni della tensione di ingresso é determinata dalle conseguenti variazioni della c. d. t. sulla resistenza Rz. Se, per esempio, si manifesta un incremento della Vi a questo seguiré un incremento della caduta di tensione ai capi della R2, mentre la corrente It aumenta proporzionalmente all’incremento della corrente IT. Rimane quindi costante la
corrente IL nel carico e quindi la tensione Vo di uscita.

Viceversa, una diminuzione della Vo sarà analogamente compensata da una diminuzione della c. d. t. su Rz e
della corrente Iz nel diodo zener.

Circuito classico di riduttore di tensione stabilizzata a diodo zener. La tensione Vi può derivare da una batteria o da una qualsiasi sorgente di tensione continua

Considerazioni termiche

Se non diversamente specificato, i dati fomiti dal costruttore per gli zener si
riferiscono ad una temperatura ambiente T amb = 25 °C. E pertanto intuitivo come, oltre ad una variazione della corrente I, intomo al suo valore nominale Iz possa contribuire, come in tutti i componenti a semiconduttore, anche una variazione di temperatura allo scostamento della tensione Vz dal suo valore nominale Vzn.

E infatti da tenere presente, a questo proposito, che i diodi zener con tensioni di zener inferiori a 5,6 V presentano, come i normali diodi a giunzione polarizzati direttamente, un coefficiente di temperatura negativo. Ciò significa che ad un aumento della temperatura Tj della giunzione consegue un decremento della loro resistenza differenziale. I diodi zener con tensioni di zener maggiori di 5,6 V presentano, al contrario, un coefficiente di temperatura positivo.

Ciò significa che ad un incremento della temperatura Tj consegue un incremento della relativa resistenza differenziale.
Un metodo di compensazione valido per i diodi zener con Vz > 5,6 V e illustrato nella figura dove, in serie al diodo zener, si sono disposti tre normali diodi a giunzione. Nell’ipotesi, infatti, che il diodo zener abbia un coefficiente di temperatura positivo di +0,6 mV/°C, basterà che i tre diodi in serie abbiano, ciascuno, un coefficiente di temperatura di — 0,2 mV/°C affinché il coefficiente di temperatura dell’intera combinazione sia pressoché nullo.

Con questo semplice (e assai poco costoso) accorgimento si supera l’instabilità che potrebbe venirsi a creare a causa di eventuali variazioni termiche comunque causate.

Dimensionamento dello stabilizzatore con diodo zener

Nel dimensionamento di uno stabilizzatore di tensione con diodo zener i dati
nonrmalmente noti sono:
a) la tensione Vi di ingresso;
b) la tensione Vo di uscita;
c) la corrente assorbita dal carico nelle diverse condizioni di funzionamento.
Nota la tensione di uscita si sa già che il diodo zener deve essere scelto per una tensione Vz = Vo

In a il simbolo grafico del diodo zener programmabile e in b il relativo schema a blocchi

II diodo zener programmabile

 Per ovviare ai problemi di natura termica si può ricorrere ad un particolare diodo zener integrato che, definito programmabile poiché tramite l’accesso ad un terzo terminale consente di disporre di un’ampia gamma di tensioni, é compensato in temperatura. La figura  riporta in a il simbolo grafico e in b il relativo schema a blocchi con riferimento al modello TL431 (o LM431).

Questo diodo, che presenta un’impedenza di uscita minima (0,22 Ω) e un coefficiente di temperatura estremamente basso (50ppm/°C), si presta pertanto a sostituire i normali zener laddove si richieda notevole precisione e valori della tensione di zener Vz che esulano dai valori standard.

A quest’ultimo proposito va infatti sottolineata l’ulteriore prerogativa del componente che risiede nella possibilita di modificare la tensione Vz in funzione del valore attribuito alle due resistenze R1 e R2 nel circuito stabilizzatore di cui alla figura.

Stabilizzatore di tensione con Vo variabile da 2,5 V a 36 V.