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Diodo Zener: funzionamento e regolazione della tensione

Il diodo Zener è progettato per lavorare in polarizzazione inversa in una zona di breakdown controllato, mantenendo ai suoi capi una tensione relativamente stabile. È uno dei componenti più semplici per creare riferimenti di tensione, limitatori e protezioni, ma per usarlo bene bisogna calcolare corrente, resistenza serie, potenza dissipata e condizioni di carico.

Livello: base → intermedio Tempo di lettura: 20–25 min Breakdown controllato Regolatore shunt

Che cos’è un diodo Zener?

Un diodo Zener è un diodo a semiconduttore progettato per funzionare in modo prevedibile anche quando viene polarizzato inversamente oltre una determinata tensione. In questa regione la corrente inversa aumenta rapidamente mentre la tensione ai capi del componente varia relativamente poco.

Riferimento

Può fornire una tensione relativamente stabile per circuiti a bassa potenza.

Regolazione

Lavora spesso come regolatore shunt insieme a una resistenza serie.

Protezione

Può limitare sovratensioni moderate entro i limiti di energia del componente.

Differenza rispetto a un diodo normale Un normale diodo PN viene generalmente tenuto lontano dal breakdown inverso. Lo Zener, invece, è costruito e specificato proprio per lavorare in quella zona, entro corrente e potenza ammesse.

Simbolo e polarità

Come un normale diodo, lo Zener ha anodo e catodo. Il suo simbolo è simile a quello del diodo standard, ma la linea del catodo è piegata.

Per la regolazione della tensione viene usato al contrario Il catodo viene collegato al nodo più positivo e l’anodo verso il riferimento più negativo, tipicamente GND. In questo modo lavora in polarizzazione inversa.

Come funziona in polarizzazione inversa

Finché la tensione inversa resta inferiore alla tensione caratteristica dello Zener, circola soltanto una piccola corrente di leakage. Quando la tensione raggiunge la regione di breakdown, la corrente aumenta fortemente e il componente tende a mantenere ai suoi capi una tensione prossima a VZ.

Vout ≈ VZ Valido solo se la corrente Zener rimane nel campo operativo previsto dal datasheet.
Uno Zener non limita da solo la corrente Se viene collegato direttamente a una sorgente ideale superiore a VZ, la corrente può diventare distruttiva. Serve quasi sempre una resistenza o un altro elemento limitatore.

Breakdown Zener e breakdown a valanga

Con il termine “effetto Zener” si indica spesso genericamente il funzionamento inverso controllato, ma fisicamente possono contribuire due meccanismi differenti: effetto Zener vero e proprio e moltiplicazione a valanga.

Zona indicativaMeccanismo dominanteCoefficiente termico
Basse VZEffetto ZenerTende a essere negativo
Circa 5–6 VCombinazione dei due effettiPuò essere vicino allo zero
VZ più elevateValangaTende a essere positivo
Per questo gli Zener intorno a 5,1–5,6 V sono molto comuni nei riferimenti semplici In quella zona il coefficiente termico complessivo può essere relativamente contenuto, anche se il valore esatto dipende dal componente e dalla corrente di test.

La tensione Zener VZ non è perfettamente costante

Il datasheet specifica una tensione nominale VZ, ma sempre a una determinata corrente di prova IZT. Se la corrente cambia, cambia leggermente anche la tensione ai capi del diodo.

Esempio concettuale Uno Zener nominale da 5,1 V potrebbe essere specificato come 5,1 V a 5 mA. A 0,5 mA o 20 mA la tensione può essere differente.
Quindi “Zener 5,1 V” non significa 5,100 V in ogni condizione Bisogna considerare corrente, tolleranza, impedenza dinamica e temperatura.

Come calcolare la resistenza serie

La resistenza serie deve assorbire la differenza tra tensione di ingresso e tensione Zener, limitando la corrente a un valore sicuro.

RS = (VIN − VZ) / IR Senza carico, IR coincide approssimativamente con IZ.
Esempio senza carico VIN = 12 V, VZ = 5,1 V e IZ desiderata = 10 mA:

RS = (12 − 5,1) / 0,01 = 690 Ω.

Un valore commerciale vicino può essere 680 Ω o 750 Ω, dopo aver verificato corrente e potenza reali.

Zener come regolatore shunt

Il collegamento classico usa una resistenza in serie all’alimentazione e lo Zener in parallelo al carico. Lo Zener “assorbe” la corrente che il carico non utilizza, mantenendo il nodo vicino a VZ.

Diodo Zener usato come regolatore shunt con resistenza serie e carico in parallelo
Regolatore shunt con diodo Zener: la corrente della resistenza serie si divide tra il diodo Zener e il carico.
IR = IZ + IL La corrente nella resistenza si divide tra Zener e carico.

Cosa succede quando colleghiamo un carico?

Quando il carico assorbe corrente, una parte della corrente proveniente da RS non attraversa più lo Zener. Se il carico assorbe troppo, IZ può scendere sotto il valore necessario per mantenere la regolazione.

IZ = (VIN − VZ)/RS − IL
Condizione di perdita della regolazione Se IZ diventa troppo piccola, il diodo esce dalla zona di breakdown utile e VOUT può scendere sotto il valore previsto.

Corrente minima e corrente massima dello Zener

Per ottenere una tensione sufficientemente stabile serve una corrente minima. Il datasheet può indicare una corrente di ginocchio IZK e una corrente di test IZT.

ParametroSignificato
IZKCorrente vicina al “ginocchio” della curva, dove la regolazione è ancora debole.
IZTCorrente alla quale viene specificata la VZ nominale.
IZ maxCorrente massima compatibile con potenza e temperatura del componente.
Il progetto deve funzionare sia al carico minimo sia al carico massimo A carico minimo lo Zener assorbe più corrente e dissipa più potenza. A carico massimo IZ diminuisce e rischia di perdere la regolazione.

Potenza dissipata dal diodo Zener

PZ = VZ · IZ
Esempio Zener da 5,1 V attraversato da 20 mA:

PZ = 5,1 × 0,020 = 102 mW.

Se il componente è nominalmente da 500 mW, 102 mW è sotto il limite assoluto, ma è comunque buona pratica lasciare margine per temperatura ambiente, tolleranze e variazioni di VIN.

Verifica anche la resistenza serie La resistenza dissipa:

PR = IR² · RS oppure PR = (VIN − VZ) · IR.

Impedenza dinamica dello Zener

Nella regione di breakdown la curva non è perfettamente verticale. Una variazione di corrente produce una piccola variazione della tensione.

rZ ≈ ΔVZ / ΔIZ Detta anche impedenza dinamica o differenziale.
Più bassa è rZ, migliore è la regolazione Per piccoli segnali e variazioni di carico lo Zener può essere modellato come una sorgente ideale VZ in serie a una piccola resistenza rZ.

Tolleranza e coefficiente di temperatura

Uno Zener nominale da 5,1 V può avere una tolleranza, per esempio, del ±2%, ±5% o diversa. Questo significa che la tensione reale può essere già diversa dal nominale prima ancora di considerare corrente e temperatura.

Esempio con tolleranza ±5% Per VZ nominale = 5,1 V:

min ≈ 5,1 × 0,95 = 4,845 V
max ≈ 5,1 × 1,05 = 5,355 V

La temperatura modifica ulteriormente VZ secondo il coefficiente termico specificato dal produttore. Per riferimenti di precisione si preferiscono circuiti dedicati.

Esempio completo di progetto

Supponiamo di voler ottenere circa 5,1 V da una sorgente che varia tra 10 e 12 V. Il carico assorbe fino a 5 mA e vogliamo mantenere almeno 5 mA nello Zener alla tensione minima di ingresso.

1. Corrente richiesta nella resistenza

IR,min = IL,max + IZ,min = 5 mA + 5 mA = 10 mA

2. Calcolo della resistenza con VIN minima

RS = (10 − 5,1) / 0,010 = 490 Ω

Possiamo scegliere, per esempio, 470 Ω dopo aver verificato il caso peggiore a VIN massima.

3. Corrente a 12 V e carico minimo

IR,max = (12 − 5,1) / 470 ≈ 14,7 mA

Con carico assente quasi tutta questa corrente attraversa lo Zener.

4. Potenza Zener massima

PZ,max ≈ 5,1 × 0,0147 ≈ 75 mW

5. Potenza della resistenza

PR,max ≈ (12 − 5,1) × 0,0147 ≈ 101 mW
Risultato Una resistenza da 470 Ω / 0,25 W e uno Zener adeguatamente dimensionato lavorano con buon margine in questo esempio semplificato. Il progetto reale va comunque verificato con le tolleranze del datasheet.

Zener come protezione da sovratensione

Uno Zener può essere usato per limitare una tensione quando questa supera un certo livello. È adatto soprattutto a energie relativamente contenute e quando la corrente è già limitata.

Zener e TVS non sono la stessa cosa Un TVS è progettato specificamente per assorbire transitori impulsivi di energia elevata. Per ESD, surge e picchi importanti è generalmente più appropriato di un piccolo Zener di regolazione.

Lo Zener può inoltre essere usato come clamp di segnali, riferimento per transistor, protezione di ingressi e limitatore, sempre verificando corrente e potenza.

Limiti del regolatore Zener

  • spreca corrente anche quando il carico assorbe poco;
  • la tensione non è estremamente precisa;
  • l’efficienza può essere bassa;
  • la regolazione peggiora con forti variazioni di carico;
  • la dissipazione cresce con VIN;
  • non è adatto direttamente ad alte correnti;
  • rumore Zener e coefficiente termico possono essere importanti nei circuiti analogici sensibili.
Quando passare a un regolatore integrato? Se servono corrente elevata, migliore precisione, alta efficienza o ampio intervallo di ingresso, un LDO o un convertitore switching è spesso più adatto. Lo Zener resta però eccellente per riferimenti semplici, clamp e protezioni locali.

Come testare un diodo Zener

Con la funzione “test diodo” del multimetro uno Zener si comporta in diretta quasi come un normale diodo al silicio. In inversa, però, il multimetro normalmente non genera una tensione abbastanza alta da portarlo in breakdown.

Per misurare VZ serve un piccolo circuito di prova È possibile usare una sorgente DC superiore a VZ, una resistenza serie calcolata e il multimetro in volt ai capi dello Zener.
Mai collegare direttamente lo Zener alla sorgente La resistenza di limitazione è indispensabile per evitare una corrente eccessiva.

Come scegliere un diodo Zener

ParametroCosa controllare
VZTensione nominale alla corrente di test specificata.
TolleranzaScostamento iniziale rispetto al valore nominale.
IZTCorrente alla quale VZ è specificata.
IZKCorrente minima vicina al ginocchio della curva.
PZ maxPotenza dissipabile alle condizioni previste.
rZ / ZZTImpedenza dinamica nella regione di regolazione.
TempcoVariazione della tensione con la temperatura.
PackageSMD/THT, capacità termica e dissipazione.
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