O diodo zener é um dos componentes da família dos semicondutores de maior importância na eletrônica atual, apesar de sua simplicidade e antiguidade. Usado como regulador de tensão, proteção de circuitos industriais e de consumo, em eletrônica automotiva e na conformação de sinais, o diodo zener é elemento indispensável numa grande quantidade de projetos. Neste artigo, discorremos um pouco sobre este componente mostrando como ele funciona e de que forma é usado em muitas aplicações práticas importantes.
Para entender o que é um diodo zener devemos começar com uma breve revisão das propriedades das junções semicondutoras que formam um diodo comum.
Se tivermos uma junção entre dois materiais semicondutores, um do tipo P e outro do tipo N, o resultado será um dispositivo que tem a propriedade de conduzir a corrente num único sentido, conforme ilustra a figura 1.
Este dispositivo, assim representado, é um diodo semicondutor comum e tem propriedades elétricas muito importantes além daquela de conduzir a corrente apenas num sentido.
Se polarizarmos este diodo no sentido direto partindo de zero volt, à medida que a tensão se eleva ele pouco ou nada conduz, pois precisamos chegar a pelo menos 0,6 V (nos tipos de silício), para que a oposição da junção, denominada barreira de potencial", seja vencida.
Quando a tensão se aproxima desses 0,6 V, o diodo começa a conduzir, e quando ela ultrapassa esse valor, a condução se torna mais intensa, pois sua resistência diminui acentuadamente.
A condução acontece porque na polarização direta os portadores de carga são "empurrados" em direção à junção, ocorrendo então um processo de recombinação que significa a união de pares elétron-lacuna provocando a circulação da corrente. Isso é mostrado na figura 2.
Por outro lado, se polarizarmos o diodo no sentido inverso, os portadores de carga se afastam, e o resultado será uma impossibilidade para a corrente circular.
O diodo não pode conduzir a corrente quando polarizado no sentido inverso, e o pouco que passa é a denominada "fuga" que só se manifesta pelo fato de alguns poucos portadores de carga serem liberados com a agitação térmica dos átomos do material semicondutor.
A figura 3 apresenta um diodo polarizado no sentido inverso.
Se representarmos o comportamento de um diodo semicondutor através de uma curva, ela tomará o aspecto dado na figura 4.
Temos, então, um quadrante l em que o diodo é polarizado no sentido direto e a corrente pode aumentar até atingir o limite suportado pelo componente. No quadrante IlI temos a polarização no sentido inverso.
Nesse quadrante não temos praticamente a condução de corrente alguma até que um ponto importante da característica seja atingido.
O que ocorre é que, se aplicarmos uma tensão num diodo forçando mais e mais a condução no sentido inverso, chegará um momento em que ele não suportará mais e, não conseguindo impedir a circulação da corrente, “se romperá".
Quando isso acontece, o diodo conduz repentinamente a corrente, pois sua resistência se reduz praticamente a zero, conforme podemos observar na própria figura 4.
Num diodo comum, por exemplo, um retificador de silício como o 1N4002, se chegarmos a essa tensão de ruptura inversa (VRRM), o diodo se queimará, mas existem diodos especiais que podem funcionar nesse ponto da curva característica.
Operando assim, esses diodos têm algumas outras características importantes que os tornam bastante úteis em aplicações especiais conforme veremos a seguir.
O DIODO ZENER
Observa-se que, se o componente não for destruído ao ser polarizado inversamente com a tensão indicada, sua resistência se "adapta" ao circuito de tal modo a manter a tensão no componente em um valor fixo.
Em outras palavras, o componente pode regular" a tensão no circuito, mantendo-a num valor fixo.
Podemos, desta forma, construir diodos especiais que são capazes de operar nesse ponto de sua curva característica e assim manter entre seus terminais, numa ampla faixa de correntes, a tensão estabilizada.
Veja a figura 5. Eles são os diodos zener e a tensão que se mantém entre seus terminais é chamada de "tensão zener”.
Evidentemente, o diodo zener precisa operar dentro de certos limites, pois levando-se em conta que nele se estabelece uma tensão e que circula uma corrente no sentido inverso, o produto dessa tensão pela corrente significa calor gerado, que deve ser dissipado, conforme sugere a figura 6.
Se o componente não dissipar esse calor, ele se aquecerá passando para além dos limites suportados pela junção e acabará por queimar-se.
Para usar o diodo zener sem perigo dele se queimar, temos que fazer o seguinte:
Polarizamos o diodo no sentido inverso e ligamos em série um dispositivo qualquer (um resistor, por exemplo) que possa manter a corrente dentro de limites seguros, observe a figura 7.
Se aplicarmos ao circuito uma tensão maior do que a do diodo zener, ele conduzirá a corrente em certa proporção e manterá entre seus terminais a tensão num valor fixo, a tensão zener.
Se alimentarmos uma carga, ela deverá ser ligada em paralelo com o diodo zener, e conforme ela precise de mais ou menos corrente, ele derivará esta corrente do diodo, mas se adaptará" a esta condição, mudando sua resistência de modo a manter a tensão constante.
Podemos comparar o diodo zener a um resistor "automático" que reduz sua resistência "absorvendo" mais corrente quando a carga reduz seu consumo e a tensão tende a subir, e que aumenta sua resistência quando a carga exige mais corrente e tende a fazer a tensão cair.
DIODOS ZENER NA PRÁTICA
Os diodos zener são fabricados com diversas tensões que não podem ser alteradas.
Se comprarmos um diodo zener de 6V, ele só poderá ser usado como um estabilizador de 6 V.
Alterações poderão ser feitas no circuito com outros componentes para se obter outras tensões, mas isso será visto mais adiante.
No site temos diversas tabelas de diodos zener como os das séries BZX79, BZV60, BZTO3 e BZWO3, que são encontrados em diversas tensões que são especificadas por um código acrescentado ao próprio tipo (Código Pro-Electron).
Por exemplo, o BZX79C3VO é um diodo zener de 0,5 watt para 3,0 volts. O 3V significa três Volts o V VIRGULA zero.
Observe que, nesta tabela, temos as correntes e as tolerâncias desses componentes.
Essas correntes são importantes para se determinar os circuitos em que eles podem operar.
USANDO OS DIODOS ZENER
Para usar um diodo zener, devemos levar em consideração a tensão e a corrente no circuito para o qual desejamos manter constante a tensão.
Para efeito de exemplo, suponhamos que temos uma fonte cuja tensão pode variar entre 4 e 6 volts, e que desejamos manter constante em 3 V a tensão sobre uma carga de 10 mA usando para isso um diodo zener, conforme mostra a figura 8.
Nossa preocupação principal será determinar que diodo zener utilizar e, além disso. calcular o valor do resistor R que deverá ser ligado em série.
Partimos então das condições extremas:
Supondo que a tensão da fonte seja mínima e que a carga não esteja drenando corrente (l=0), todos os 10 mA devem passar pelo diodo zener.
Na realidade, será interessante fazer circular nestas condições uma corrente um pouco maior, como limite de segurança para que o zener não opere "em vazio". Podemos adotar 12 mA como valor seguro.
Temos, então, que:
R = (Vcc - Vz)/I
Onde:
Vcc é a tensão mínima da fonte
Vz é a tensão do diodo zener
l é a corrente no circuito. j:
Aplicando os valores do nosso exemplo vem:
R= (4 - 3)/0,012
R = 1/0,012
R = 83,33 ohms.
Usamos o valor comercial mais próximo, que é de 82 ohms.
A dissipação desse resistor será dada pela condição de tensão máxima e corrente máxima, ou seja:
P = V x l
P = 3 x 0,012
P = 0,036 watts.
Observe que os 3 V no resistor ocorrem quando a tensão máxima de entrada é de 6 V, e 3 V aparecem sobre o zener.
Isso significa que, neste circuito, um resistor de 1/8 W serve perfeitamente.
Vejamos agora a condição de corrente máxima no diodo zener para verificar qual deverá ser sua dissipação:
Temos, então:
P = Vz x I
Onde:
Vz é a tensão zener (3V)
I é a corrente máxima (0,012 A)
P = 3 x 0,012
P = 0,036 W.
Um zener de 0,5 W como o BZX79C3VO serve perfeitamente para esta aplicação.
Se precisarmos controlar correntes mais intensas do que a capacidade de um diodo zener, permite, podemos agregar transistores para fazer o serviço pesado”.
Uma maneira simples de se conseguir correntes de ate' uns 2 ou 3 ampères é ilustrada na figura 9.
A corrente que flui pelo resistor ficará dividida entre o zener e a base do transistor.
A parte dela que vai para a base do transistor ficará então multiplicada pelo seu ganho, aparecendo no emissor e, portanto, na carga.
Veja que, como existe uma junção adicional para a corrente circular entre a base e o emissor, devemos prever uma queda de tensão adicional de 0,6 V.
Assim, se o zener for de 12,6 V num circuito como este, a tensão no emissor e consequentemente na carga será um pouco menor: 12 V.
Como calcular o resistor R?
Supondo-se uma fonte de 12 V que empregue um transformador de 12 V com uma corrente de 1 A e que o transistor escolhido tenha um ganho mínimo de 40 vezes.
O diodo zener utilizado tem uma dissipação de 1W.
Começamos por determinar a corrente máxima no diodo zener para a dissipação indicada:
Essa corrente será dada por:
l = P/Vz
I = 1/12
l = 0,083A ou 83 mA.
Para uma operação segura, limitaremos a corrente no projeto à metade deste valor, ou seja: 40 mA.
O resistor R será então calculado considerando que depois da retificação e filtragem dos 12 V do transformador, temos um capacitor de filtro carregado com a tensão de pico ou:
V= 12 x 1,41
V = 16,92 V
E, subtraindo dos 16,92 V os 12 V do zener, sobram:
V = 16,92 - 12
V = 4,92 V.
Esta sobra é justamente a que vai aparecer sobre o resistor.
Com essa tensão e mais a corrente, podemos calcular o valor de R.
R = V/l
R = 4,92/0,083
R = 59 ohms.
Usamos o valor comercial de 68 ohms. A potência deste resistor deve ser de:
P=Vxl
P = 4,92 x 0,083
P = 0,40 W.
Por medida de segurança usamos um resistor de 1 W.
Levando-se em conta que o ganho de corrente do transistor é de pelo menos 40 vezes, podemos determinar a corrente máxima que esta configuração pode controlar sobre uma carga, mantendo a tensão de 12V.
l = hFE x lz
l = 40 x 0,083
l = 3,32 A.
Evidentemente, o transformador não conseguirá fornecer toda essa corrente, mas isso significa que a fonte operará com "folga" fornecendo correntes de saída de até 1 A.
Essa folga nos permite até utilizar um valor maior para R e com isso diminuir ainda mais a corrente no diodo zener.
Na verdade, os que desejarem podem iniciar pelo procedimento inverso, ou seja, fixando em 1A a corrente de saída e a partir desse valor calcular os demais.
Para reduzir ainda mais a corrente no diodo zener e no resistor em série, uma solução consiste no emprego de um transistor Darlington, conforme vemos na figura 10.
Neste caso, será interessante partir para o cálculo de R diretamente do ganho do transistor, determinando antes a corrente de base e no zener, e em função dela, qual será o valor do resistor.
OUTRAS APLICAÇÕES
Além de estabilizar a tensão num circuito, o diodo zener também pode ser empregado em outros tipos de aplicações.
Na figura 11 temos um diodo zener em uma configuração usada para evitar que a tensão de entrada num circuito sensível supere um determinado valor que possa danifica-Io.
Na figura 12 observamos outro circuito em que o diodo zener começa a conduzir com determinada tensão, provocando o disparo de um SCR e, consequentemente, de uma carga que pode exercer uma certa função.
Trata-se, pois, de um detector de sobretensão, onde a sobretensão é determinada pelas características do diodo zener. 4
Finalmente, temos na figura 13 um circuito "ceifador” que, com a ajuda de diodos zener, modifica a forma de onda de um sinal senoidal de baixa frequência, levando-o a uma forma quase retangular, com limites bem definidos.
Os diodos são ligados em oposição nesta aplicação, e a tensão de ceifamento será a tensão do diodo zener mais 0,6 V, que é a tensão de barreira de potencial dos diodos que estão em série.
Note que cada zener só conduz num dos semiciclos, e os diodos comuns impedem que os zener sejam polarizados no sentido direto.
SUPRESSORES DE TRANSIENTES
Não obstante uma das aplicações para os diodos zener seja como supressor de transientes, existem outras em que componentes específicos podem ser melhores tanto em desempenho quanto no custo.
Assim, existem os TVS (Transient Voltage Supressor), que são diodos específicos para essa finalidade e os Varistores de Óxido de Zinco que podem ser encontrados principalmente na proteção de entrada de aparelhos alimentados pela rede de energia.
DIODOS COMUNS COMO ZENERS
Qualquer diodo de silício quando polarizado no sentido direto comporta-se como um diodo zener de aproximadamente 0,6V.
A tensão necessária à sua condução apresenta certa estabilidade e pode ser aproveitada como um zener improvisado, conforme mostra a figura 14.
Podemos então associar diodos em série de modo a obter tensões múltiplas de 0,6V, atente para essa própria figura.
Quatro diodos comuns como o 1N4148 ou o 1N4002 podem ser ligados em série de modo a equivaler a um diodo zener de aproximadamente 2,4 V.
Conclusão
O que vimos aqui foram algumas aplicações dos diodos zener mais simples.
Pelo que o leitor deve ter percebido, podemos fazer muito mais coisas interessantes com base nesses semicondutores, não ficando limitadas a fontes de alimentação.
Deixamos por conta dos leitores imaginarem muitas outras aplicações.
No site, temos diversos artigos que ensinam a fazer cálculos de circuitos que usam diodos zener, especificamente na seção de matemática para a eletrônica.
