Que sont les diodes Zener ?

Qu'est-ce qu'une diode Zener ?

Une diode Zener est un type spécial de diode de redressement qui peut gérer une panne due à une tension de claquage inverse sans tomber complètement en panne. Ici, nous discuterons du concept d'utilisation de diodes pour réguler la chute de tension et de la façon dont la diode Zener fonctionne en mode de polarisation inverse pour réguler la tension dans un circuit.

Comment les diodes régulent la chute de tension

Si nous connectons une diode et une résistance en série avec une source de tension continue de sorte que la diode soit polarisée en direct, la chute de tension aux bornes de la diode restera assez constante sur une large plage de tensions d'alimentation, comme dans la figure (a) ci-dessous.

Le courant traversant une jonction PN polarisée en direct est proportionnel à e élevé à la puissance de la chute de tension directe. Comme il s'agit d'une fonction exponentielle, le courant augmente assez rapidement pour des augmentations modestes de la chute de tension.

Une autre façon de considérer cela est de dire que la chute de tension dans une diode polarisée en direct change peu pour les grandes variations du courant de la diode. Dans le circuit illustré à la figure (a) ci-dessous, le courant de la diode est limité par la tension de l'alimentation, la résistance série et la chute de tension de la diode, qui, comme nous le savons, ne varie pas beaucoup par rapport à 0,7 volt.

Référence Si polarisée en direct :(a) diode unique, 0,7 V, (b) 10 diodes en série 7,0 V.

Si la tension d'alimentation devait être augmentée, la chute de tension de la résistance augmenterait presque de la même quantité et la tension de la diode chuterait juste un peu. Inversement, une diminution de la tension d'alimentation entraînerait une diminution presque égale de la chute de tension de la résistance, avec juste une petite diminution de la chute de tension de la diode.

En un mot, on pourrait résumer ce comportement en disant que la diode régule la chute de tension à environ 0,7 volts.

L'utilisation de la régulation de tension

La régulation de tension est une propriété de diode utile à exploiter. Supposons que nous construisions une sorte de circuit qui ne pourrait pas tolérer des variations de tension d'alimentation, mais qui devait être alimenté par une batterie chimique, dont la tension change au cours de sa durée de vie. Nous pourrions former un circuit comme indiqué ci-dessus et connecter le circuit nécessitant une tension constante aux bornes de la diode, où il recevrait une tension constante de 0,7 volt.

Cela fonctionnerait certainement, mais la plupart des circuits pratiques de toute sorte nécessitent une tension d'alimentation supérieure à 0,7 volts pour fonctionner correctement. Une façon d'augmenter notre point de régulation de tension serait de connecter plusieurs diodes en série afin que leurs chutes de tension directes individuelles de 0,7 volt chacune s'ajoutent pour créer un total plus important.

Par exemple, dans notre exemple ci-dessus [figure(b)], si nous avions dix diodes en série, la tension régulée serait dix fois 0,7, soit 7 volts.

Tant que la tension de la batterie n'est jamais descendue en dessous de 7 volts, il y aurait toujours environ 7 volts de chute à travers la "pile" à dix diodes.

Comment les diodes Zener régulent la tension

Si des tensions régulées plus importantes sont nécessaires, nous pourrions soit utiliser plus de diodes en série (une option inélégante, à mon avis), soit essayer une approche fondamentalement différente.

Nous savons que la tension directe de la diode est un chiffre assez constant dans un large éventail de conditions, mais la tension de claquage inverse l'est également. La tension de claquage est généralement beaucoup, beaucoup plus élevée que la tension directe.

Si nous inversions la polarité de la diode dans notre circuit régulateur à diode unique et augmentions la tension d'alimentation jusqu'au point où la diode «se casserait» (c'est-à-dire qu'elle ne pouvait plus supporter la tension de polarisation inverse imprimée à travers elle), la diode régulerait de la même manière la tension à ce point de claquage, ne lui permettant pas d'augmenter davantage. Ceci est montré dans la figure (a) ci-dessous.

(a) La diode à petit signal Si polarisée en inverse tombe en panne à environ 100V. (b) Symbole de la diode Zener.

Malheureusement, lorsque les diodes de redressement normales « tombent en panne », elles le font généralement de manière destructive. Cependant, il est possible de construire un type spécial de diode capable de gérer le claquage sans tomber complètement en panne. Ce type de diode est appelé diode Zener , et son symbole est montré dans la figure (b) ci-dessus .

Lorsqu'elles sont polarisées en direct, les diodes Zener se comportent à peu près de la même manière que les diodes de redressement standard :elles ont une chute de tension directe qui suit « l'équation de la diode » et est d'environ 0,7 volt. En mode polarisation inverse, ils ne conduisent pas jusqu'à ce que la tension appliquée atteigne ou dépasse la soi-disant tension Zener , auquel point la diode est capable de conduire un courant substantiel et, ce faisant, essaiera de limiter la chute de tension à ses bornes à ce point de tension Zener.

Tant que la puissance dissipée par ce courant inverse ne dépasse pas les limites thermiques de la diode, la diode ne sera pas endommagée. Pour cette raison, les diodes Zener sont parfois appelées « diodes de panne ».

Circuit à diodes Zener

Les diodes Zener sont fabriquées avec des tensions Zener allant de quelques volts à des centaines de volts. Cette tension Zener change légèrement avec la température et, comme les valeurs de résistance de composition de carbone courantes, peut être comprise entre 5 et 10 % en erreur par rapport aux spécifications du fabricant. Cependant, cette stabilité et cette précision sont généralement suffisantes pour que la diode Zener soit utilisée comme dispositif régulateur de tension dans le circuit d'alimentation commun de la figure ci-dessous.

Circuit régulateur à diode Zener, tension Zener =12,6 V).

Fonctionnement de la diode Zener Veuillez noter l'orientation de la diode Zener dans le circuit ci-dessus :la diode est polarisée en inverse , et intentionnellement. Si nous avions orienté la diode de manière «normale», de manière à être polarisée en direct, elle ne chuterait que de 0,7 volt, tout comme une diode de redressement ordinaire. Si nous voulons exploiter les propriétés de claquage inverse de cette diode, nous devons la faire fonctionner dans son mode de polarisation inverse. Tant que la tension d'alimentation reste supérieure à la tension Zener (12,6 volts, dans cet exemple), la chute de tension aux bornes de la diode Zener restera à environ 12,6 volts.

Comme tout dispositif semi-conducteur, la diode Zener est sensible à la température. Une température excessive détruira une diode Zener, et parce qu'elle fait chuter la tension et conduit le courant, elle produit sa propre chaleur conformément à la loi de Joule (P =IE). Par conséquent, il faut veiller à concevoir le circuit du régulateur de manière à ne pas dépasser la puissance nominale de dissipation de la diode. Chose intéressante, lorsque les diodes Zener échouent en raison d'une dissipation de puissance excessive, elles échouent généralement en court-circuité plutôt qu'ouvrir. Une diode défaillante de cette manière est facilement détectée :elle chute presque à zéro lorsqu'elle est polarisée dans un sens ou dans l'autre, comme un morceau de fil.

Analyse mathématique du circuit de régulation de la diode Zener

Examinons mathématiquement un circuit de régulation de diode Zener, déterminant toutes les tensions, courants et dissipations de puissance. En prenant la même forme de circuit que celle illustrée précédemment, nous effectuerons des calculs en supposant une tension Zener de 12,6 volts, une tension d'alimentation de 45 volts et une valeur de résistance en série de 1000 (nous considérerons que la tension Zener est exactement 12,6 volts afin d'éviter d'avoir à qualifier tous les chiffres d'« approximatifs » dans la figure (a) ci-dessous

Si la tension de la diode Zener est de 12,6 volts et la tension de l'alimentation est de 45 volts, il y aura une chute de 32,4 volts aux bornes de la résistance (45 volts - 12,6 volts =32,4 volts). 32,4 volts tombés sur 1000 donnent 32,4 mA de courant dans le circuit. (Figure ci-dessous (b))

(a) Régulateur de tension Zener avec résistance de 1000 Ω. (b) Calcul des chutes de tension et du courant.

La puissance est calculée en multipliant le courant par la tension (P=IE), nous pouvons donc calculer assez facilement les dissipations de puissance pour la résistance et la diode Zener :

Une diode Zener avec une puissance nominale de 0,5 watt serait adéquate, tout comme une résistance nominale pour 1,5 ou 2 watts de dissipation.

Circuit à diode Zener avec des résistances plus élevées

Si une dissipation de puissance excessive est préjudiciable, pourquoi ne pas concevoir le circuit pour le moins de dissipation possible ? Pourquoi ne pas simplement dimensionner la résistance pour une valeur de résistance très élevée, limitant ainsi sévèrement le courant et gardant les chiffres de dissipation de puissance très bas ? Prenez ce circuit, par exemple, avec une résistance de 100 kΩ au lieu d'une résistance de 1 kΩ. Notez que la tension d'alimentation et la tension Zener de la diode dans la figure ci-dessous sont identiques au dernier exemple :

Régulateur Zener avec résistance 100 kΩ.

Avec seulement 1/100 du courant que nous avions auparavant (324 µA au lieu de 32,4 mA), les deux chiffres de dissipation de puissance devraient être 100 fois plus petits :

Considérations relatives à la résistance de charge

Cela semble idéal, n'est-ce pas? Moins de dissipation de puissance signifie des températures de fonctionnement plus basses pour la diode et la résistance, et également moins d'énergie gaspillée dans le système, n'est-ce pas ? Une valeur de résistance plus élevée fait réduire les niveaux de dissipation de puissance dans le circuit, mais cela introduit malheureusement un autre problème. N'oubliez pas que le but d'un circuit régulateur est de fournir une tension stable pour un autre circuit . En d'autres termes, nous allons éventuellement alimenter quelque chose avec 12,6 volts, et ce quelque chose aura sa propre consommation de courant.

Considération de résistance de chute de valeur inférieure

Considérons notre premier circuit régulateur, cette fois avec une charge de 500 Ω connectée en parallèle avec la diode Zener dans la figure ci-dessous.

Régulateur Zener avec résistance série 1000 et charge 500 Ω.

Si 12,6 volts sont maintenus sur une charge de 500 Ω, la charge consommera 25,2 mA de courant. Pour que la résistance de « chute » de la série 1 kΩ chute de 32,4 volts (réduisant la tension d'alimentation de 45 volts à 12,6 sur le Zener), elle doit toujours conduire 32,4 mA de courant. Cela laisse 7,2 mA de courant à travers la diode Zener.

Considération de résistance de chute de valeur plus élevée

Considérons maintenant notre circuit régulateur « d'économie d'énergie » avec la résistance de chute de 100 kΩ, fournissant de l'énergie à la même charge de 500 Ω. Ce qu'il est censé faire, c'est maintenir 12,6 volts sur la charge, tout comme le dernier circuit. Cependant, comme nous le verrons, il ne peut accomplir cette tâche. (Figure ci-dessous)

Zener non régulateur avec résistance série 100 KΩ avec charge 500 Ω.>

Avec la plus grande valeur de résistance de chute en place, il n'y aura qu'environ 224 mV de tension sur la charge de 500 Ω, bien moins que la valeur attendue de 12,6 volts ! Pourquoi est-ce? Si nous avions réellement 12,6 volts à travers la charge, cela tirerait 25,2 mA de courant, comme avant. Ce courant de charge devrait traverser la résistance de chute en série comme avant, mais avec une nouvelle résistance de chute (beaucoup plus grande !) En place, la tension chute à travers cette résistance avec 25,2 mA de courant qui la traverse serait de 2 520 volts ! Comme nous n'avons évidemment pas autant de tension fournie par la batterie, cela ne peut pas arriver.

Analyse de résistance aux chutes plus élevée sans diode Zener

La situation est plus facile à comprendre si nous retirons temporairement la diode Zener du circuit et analysons le comportement des deux résistances seules dans la figure ci-dessous.

Non-régulateur avec Zener supprimé.

La résistance de chute de 100 kΩ et la résistance de charge de 500 sont toutes deux en série, ce qui donne une résistance de circuit totale de 100,5 kΩ. Avec une tension totale de 45 volts et une résistance totale de 100,5 kΩ, la loi d'Ohm (I=E/R) nous dit que le courant sera de 447,76 µA. En calculant les chutes de tension aux deux résistances (E =IR), nous arrivons respectivement à 44,776 volts et 224 mV.

Si nous devions réinstaller la diode Zener à ce stade, elle « verrait » également 224 mV à travers elle, étant parallèle à la résistance de charge. C'est bien en dessous de la tension de claquage Zener de la diode et donc elle ne "cassera" pas et ne conduira pas de courant. D'ailleurs, à cette basse tension, la diode ne conduirait pas même si elle était polarisée en direct ! Ainsi, la diode cesse de réguler la tension. Au moins 12,6 volts doivent être tombés pour « l'activer ».

La technique analytique consistant à retirer une diode Zener d'un circuit et à voir si une tension suffisante est présente ou non pour la faire conduire est une bonne technique. Ce n'est pas parce qu'une diode Zener est connectée dans un circuit que la pleine tension Zener chutera toujours à ses bornes ! N'oubliez pas que les diodes Zener fonctionnent en limitant tension à un certain niveau maximum; ils ne peuvent pas rattraper pour un manque de tension.

Règle de fonctionnement de la régulation de la diode Zener

En résumé, tout circuit de régulation à diode Zener fonctionnera tant que la résistance de la charge est égale ou supérieure à une valeur minimale. Si la résistance de charge est trop faible, elle tirera trop de courant, faisant chuter trop de tension aux bornes de la résistance de chute en série, laissant une tension insuffisante aux bornes de la diode Zener pour la rendre conductrice. Lorsque la diode Zener cesse de conduire le courant, elle ne peut plus réguler la tension et la tension de charge tombera en dessous du point de régulation.

Calcul de la résistance de charge pour certaines résistances de chute

Notre circuit régulateur avec la résistance de chute de 100 kΩ doit cependant être bon pour une certaine valeur de résistance de charge. Pour trouver cette valeur de résistance de charge acceptable, nous pouvons utiliser un tableau pour calculer la résistance dans le circuit série à deux résistances (pas de diode), en insérant les valeurs connues de la tension totale et de la résistance de résistance de chute, et en calculant une tension de charge attendue de 12,6 volts :

Avec 45 volts de tension totale et 12,6 volts sur la charge, nous devrions avoir 32,4 volts sur R_chute :

Avec 32,4 volts aux bornes de la résistance de chute et une résistance de 100 kΩ, le courant qui la traverse sera de 324 µA :

Étant un circuit en série, le courant est égal à travers tous les composants à un moment donné :

Le calcul de la résistance de charge est maintenant une simple question de la loi d'Ohm (R =E/I), nous donnant 38,889 kΩ :

Ainsi, si la résistance de charge est exactement de 38,889 kΩ, il y aura 12,6 volts à ses bornes, diode ou pas de diode. Toute résistance de charge inférieure à 38,889 kΩ entraînera une tension de charge inférieure à 12,6 volts, diode ou pas de diode. Avec la diode en place, la tension de charge sera régulée à un maximum de 12,6 volts pour toute résistance de charge plus grande que 38,889 kΩ.

Avec la valeur d'origine de 1 kΩ pour la résistance de chute, notre circuit régulateur était capable de réguler adéquatement la tension même pour une résistance de charge aussi faible que 500 Ω. Ce que nous voyons est un compromis entre la dissipation de puissance et la résistance de charge acceptable. La résistance de chute de valeur plus élevée nous a donné moins de dissipation de puissance, au détriment de l'augmentation de la valeur de résistance de charge minimale acceptable. Si nous souhaitons réguler la tension pour des résistances de charge de faible valeur, le circuit doit être préparé pour gérer une dissipation de puissance plus élevée.

Comment la diode Zener régule la tension

Les diodes Zener régulent la tension en agissant comme des charges complémentaires, tirant plus ou moins de courant selon les besoins pour assurer une chute de tension constante à travers la charge. Ceci est analogue à la régulation de la vitesse d'une automobile en freinant plutôt qu'en faisant varier la position de l'accélérateur :non seulement c'est du gaspillage, mais les freins doivent être conçus pour gérer toute la puissance du moteur lorsque les conditions de conduite ne l'exigent pas.

Malgré cette inefficacité fondamentale de conception, les circuits régulateurs à diode Zener sont largement utilisés en raison de leur simplicité. Dans les applications à haute puissance où les inefficacités seraient inacceptables, d'autres techniques de régulation de tension sont appliquées. Mais même dans ce cas, de petits circuits basés sur Zener sont souvent utilisés pour fournir une tension de « référence » pour piloter un circuit amplificateur plus efficace contrôlant l'alimentation principale.

Tension des diodes Zener courantes

Les diodes Zener sont fabriquées dans les tensions nominales standard répertoriées dans le tableau ci-dessous. Le tableau « tensions courantes des diodes Zener » répertorie les tensions courantes pour les pièces de 0,3 W et 1,3 W. La puissance correspond à la taille de la puce et du boîtier et correspond à la puissance que la diode peut dissiper sans dommage.

Tension des diodes Zener courantes

0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V22V100V24V27V3930V56V3

Clipper à diode Zener : Un circuit d'écrêtage qui écrête les pics de la forme d'onde à environ la tension Zener des diodes. Le circuit de la figure ci-dessous a deux séries Zener connectées opposées pour écrêter symétriquement une forme d'onde à presque la tension Zener. La résistance limite le courant tiré par les Zeners à une valeur sûre.

*SPICE 03445.eps D1 4 0 diode D2 4 2 diode R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN(0 20 1k) .model diode d bv=10 .tran 0.001m 2m .end 

Clipper à diode Zener :

La tension de claquage Zener pour les diodes est fixée à 10 V par le paramètre de modèle de diode « bv =10 » dans la liste nette d'épices de la figure ci-dessus. Cela provoque l'écrêtage des Zeners à environ 10 V. Les diodes dos à dos écrêtent les deux pics. Pour un demi-cycle positif, le Zener supérieur est polarisé en inverse, se décomposant à la tension Zener de 10 V. Le Zener inférieur chute d'environ 0,7 V car il est polarisé en direct. Ainsi, un niveau d'écrêtage plus précis est de 10+0,7=10,7V. Un écrêtage demi-cycle négatif similaire se produit à -10,7 V. (La figure ci-dessous) montre le niveau d'écrêtage à un peu plus de ±10 V.

Clipper à diode Zener :l'entrée v(1) est écrêtée à la forme d'onde v(2).

AVIS :

• Les diodes Zener sont conçues pour fonctionner en mode polarisation inverse, fournissant une panne relativement faible et stable, ou Zener tension à laquelle ils commencent à conduire un courant inverse substantiel.
• Une diode Zener peut fonctionner comme un régulateur de tension en agissant comme une charge accessoire, tirant plus de courant de la source si la tension est trop élevée, et moins si elle est trop basse.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les diodes Zener
• Projet de conception :Feuille de travail du régulateur de tension CC