Diodi zener in serie

Tensioni dei diodi zener

I diodi Zener sono un tipo speciale di diodi semiconduttori – dispositivi che permettono alla corrente di fluire in una sola direzione – che permettono anche alla corrente di fluire nella direzione opposta, ma solo se esposti a una tensione sufficiente. E mentre questo suona un po’ esoterico, in realtà sono tra i componenti più pratici che abbiano mai attraversato il banco di un ingegnere, fornendo grandi soluzioni a una serie di esigenze comuni nella progettazione dei circuiti.
In quello che segue, vi mostreremo come (e quando) usare uno Zener, per applicazioni che includono semplici tensioni di riferimento, segnali di bloccaggio a specifici intervalli di tensione, e l’alleggerimento del carico su un regolatore di tensione.
Per capire come i diodi Zener sono diversi dagli altri diodi, rivediamo prima le proprietà dei diodi normali. E, mentre ci sono molti tipi diversi di diodi – vedi qui per una lunga lista – ci concentreremo sui cosiddetti diodi “normali” a semiconduttore, più comunemente costruiti con una giunzione p-n di silicio.
I diodi di solito si presentano in pacchetti cilindrici di vetro o plastica, contrassegnati con una striscia su un lato per indicare la polarità. In un diodo perfettamente ideale, la corrente scorre in una sola direzione, dall’anodo (lato positivo) al catodo (lato negativo) che è segnato con la striscia. Il simbolo schematico è un triangolo che punta verso una barra, dove la corrente scorre nella stessa direzione, verso l’estremità barrata (striscia). Le versioni a montaggio superficiale dei diodi tendono a seguire la stessa convenzione di etichettatura, dove l’estremità del catodo è contrassegnata da una striscia larga.

Resistenze in serie

I diodi Zener sono prodotti con una grande varietà di tensioni Zener e alcuni sono addirittura variabili. Alcuni diodi Zener hanno una giunzione p-n affilata e altamente drogata con una bassa tensione Zener, nel qual caso la conduzione inversa si verifica a causa del tunnelling quantistico degli elettroni nel breve spazio tra le regioni p e n – questo è noto come l’effetto Zener, dopo Clarence Zener. I diodi con una tensione Zener più alta hanno una giunzione più graduale e il loro modo di funzionamento coinvolge anche la ripartizione a valanga. Entrambi i tipi di rottura sono presenti nei diodi Zener, con l’effetto Zener che predomina alle basse tensioni e la rottura a valanga alle alte tensioni.
I diodi Zener sono ampiamente utilizzati in apparecchiature elettroniche di tutti i tipi e sono uno dei componenti di base dei circuiti elettronici. Sono utilizzati per generare binari di alimentazione stabilizzati a bassa potenza da una tensione superiore e per fornire tensioni di riferimento per i circuiti, in particolare per gli alimentatori stabilizzati. Vengono anche utilizzati per proteggere i circuiti dalla sovratensione, specialmente dalle scariche elettrostatiche (ESD).

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Tuttavia, il diodo Zener o “diodo di breakdown”, come sono a volte indicati, sono fondamentalmente gli stessi del diodo PN standard, ma sono appositamente progettati per avere una bassa e specifica tensione di breakdown inversa che sfrutta qualsiasi tensione inversa applicata ad esso.
Il diodo Zener si comporta proprio come un normale diodo di uso generale costituito da una giunzione PN al silicio e quando è polarizzato in direzione avanti, cioè anodo positivo rispetto al suo catodo, si comporta proprio come un normale diodo di segnale che passa la corrente nominale.
Tuttavia, a differenza di un diodo convenzionale che blocca qualsiasi flusso di corrente attraverso se stesso quando è polarizzato al contrario, cioè il catodo diventa più positivo dell’anodo, non appena la tensione inversa raggiunge un valore predeterminato, il diodo zener inizia a condurre nella direzione inversa.
Questo perché quando la tensione inversa applicata attraverso il diodo zener supera la tensione nominale del dispositivo, si verifica un processo chiamato Avalanche Breakdown nello strato di deplezione del semiconduttore e una corrente inizia a fluire attraverso il diodo per limitare questo aumento di tensione.

Diodo zener pdf

I diodi Zener o diodi di riferimento di tensione sono utilizzati in una varietà di circuiti per consentire loro di fornire un riferimento di tensione. Possono anche essere utilizzati in altri circuiti oltre a fornire solo un riferimento di tensione.
Il circuito a diodi Zener più elementare consiste in un singolo diodo Zener e una resistenza. Il diodo Zener fornisce la tensione di riferimento, ma un resistore in serie deve essere presente per limitare la corrente nel diodo altrimenti una grande quantità di corrente scorrerebbe attraverso di esso e potrebbe essere distrutto.
Il valore del resistore nel circuito del diodo Zener dovrebbe essere calcolato per dare il valore di corrente richiesto per la tensione di alimentazione utilizzata. Tipicamente la maggior parte dei diodi Zener a bassa potenza hanno una dissipazione massima di 400 mW. Idealmente il circuito dovrebbe essere progettato per dissipare meno di circa la metà di questo valore, ma per funzionare correttamente la corrente nel diodo Zener non dovrebbe scendere al di sotto di circa 5 mA o non regolano correttamente.