Une diode à semi-conducteur a de nombreux "métiers". Il peut redresser la tension, délier les circuits électriques, protéger l'équipement contre une mauvaise alimentation. Mais il existe un type de "travail" pas tout à fait habituel de la diode, lorsque sa propriété de conduction unidirectionnelle est utilisée très indirectement. Un dispositif à semi-conducteur dont le mode normal est une polarisation inverse est appelé une diode Zener.
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Qu'est-ce qu'une diode Zener, où est-elle utilisée et quels sont
Une diode Zener, ou une diode Zener (du nom d'un scientifique américain qui a été le premier à étudier et à décrire les propriétés de ce dispositif semi-conducteur), est une diode conventionnelle à jonction p-n.Sa caractéristique est de travailler dans la section de la caractéristique avec une polarisation négative, c'est-à-dire lorsque la tension est appliquée en polarité inverse. Une telle diode est utilisée comme stabilisateur indépendant qui maintient la tension du consommateur constante, quels que soient les changements du courant de charge et les fluctuations de la tension d'entrée. De plus, les nœuds sur les diodes Zener sont utilisés comme sources de tension de référence pour d'autres stabilisateurs avec un circuit développé. Moins fréquemment, une diode inverse est utilisée comme élément de mise en forme d'impulsion ou comme parasurtenseur.
Il existe des diodes Zener conventionnelles et des diodes à deux anodes. Une diode Zener à deux anodes est composée de deux diodes connectées dos à dos dans un même boîtier. Il peut être remplacé par deux appareils distincts, y compris selon le schéma approprié.
Caractéristique volt-ampère de la diode zener et son principe de fonctionnement
Pour comprendre le principe de fonctionnement d'une diode Zener, il est nécessaire d'étudier sa caractéristique courant-tension (CVC) typique.
Si une tension est appliquée au zener dans le sens direct, comme pour une diode conventionnelle, alors il se comportera comme une diode conventionnelle. À une tension d'environ 0,6 V (pour un dispositif au silicium), il s'ouvrira et entrera dans la section linéaire de la caractéristique I – V. Sur le sujet de l'article, le comportement d'une diode zener est plus intéressant lorsqu'une tension de polarité inverse est appliquée (branche négative de la caractéristique). Tout d'abord, sa résistance augmentera fortement et l'appareil cessera de faire passer le courant. Mais lorsqu'une certaine valeur de tension est atteinte, une forte augmentation du courant se produit, appelée claquage. Il a un caractère d'avalanche et disparaît après la suppression du pouvoir.Si vous continuez à augmenter la tension inverse, la jonction p-n commencera à chauffer et entrera en mode de claquage thermique. La panne thermique est irréversible et signifie la défaillance de la diode Zener, vous ne devez donc pas mettre la diode dans ce mode.
Un domaine de fonctionnement intéressant d'un dispositif semi-conducteur en mode de claquage par avalanche. Sa forme est proche du linéaire et sa pente est élevée. Cela signifie qu'avec un grand changement de courant (ΔI), le changement de chute de tension aux bornes de la diode Zener est relativement faible (ΔU). Et c'est la stabilisation.
Ce comportement lors de l'application d'une tension inverse est typique de toute diode. Mais la particularité de la diode Zener est que ses paramètres dans cette section du CVC sont normalisés. Sa tension de stabilisation et sa pente sont données (avec une certaine dispersion) et sont des paramètres importants qui déterminent l'adéquation de l'appareil dans le circuit. Vous pouvez les trouver dans des ouvrages de référence. Les diodes ordinaires peuvent également être utilisées comme diodes Zener - si vous supprimez leur CVC et parmi elles, il existe une caractéristique appropriée. Mais c'est un processus long et laborieux avec un résultat non garanti.
Les principales caractéristiques de la diode Zener
Pour choisir une diode Zener à des fins existantes, vous devez connaître plusieurs paramètres importants. Ces caractéristiques détermineront l'adéquation de l'appareil sélectionné pour résoudre les tâches.
Tension de stabilisation nominale
Le premier paramètre du zener, auquel vous devez faire attention lors du choix, est la tension de stabilisation, qui est déterminée par le point de départ de la panne d'avalanche. Cela commence par la sélection d'un appareil à utiliser dans le circuit.Pour différentes instances de diodes Zener ordinaires, même du même type, la tension a une propagation de l'ordre de plusieurs pour cent, pour celles de précision, la différence est plus faible. Si la tension nominale est inconnue, elle peut être déterminée en assemblant un circuit simple. Vous devez préparer :
- résistance de ballast 1 ... 3 kOhm ;
- source de tension réglable ;
- voltmètre (vous pouvez utiliser un testeur).
Il est nécessaire d'augmenter la tension de la source d'alimentation à partir de zéro, en contrôlant la croissance de la tension au niveau de la diode Zener à l'aide d'un voltmètre. À un moment donné, il s'arrêtera, malgré une nouvelle augmentation de la tension d'entrée. Il s'agit de la tension de stabilisation réelle. S'il n'y a pas de source régulée, vous pouvez utiliser une alimentation avec une tension de sortie constante évidemment supérieure à Ustabilisation. Le schéma et le principe de mesure restent les mêmes. Mais il existe un risque de défaillance du dispositif semi-conducteur du fait de l'excès du courant de fonctionnement.
Les diodes Zener sont utilisées pour fonctionner avec des tensions de 2 ... 3 V à 200 V. Pour former une tension stable en dessous de cette plage, d'autres dispositifs sont utilisés - des stabistors fonctionnant dans la section directe du CVC.
Plage de courant de fonctionnement
Le courant auquel les diodes Zener remplissent leur fonction est limité par le haut et par le bas. Par le bas, il est limité par le début de la section linéaire de la branche inverse du CVC. À des courants plus faibles, la caractéristique ne fournit pas de mode de tension constante.
La valeur supérieure est limitée par la dissipation de puissance maximale dont un dispositif à semi-conducteur est capable et dépend de sa conception. Les diodes Zener dans un boîtier métallique sont conçues pour plus de courant, mais n'oubliez pas l'utilisation de dissipateurs de chaleur.Sans eux, la puissance de dissipation maximale autorisée sera nettement inférieure.
Résistance différentielle
Un autre paramètre qui détermine le fonctionnement de la diode Zener est la résistance différentielle Rst. Il est défini comme le rapport de la variation de tension ΔU à la variation de courant ΔI qui l'a provoquée. Cette valeur a la dimension de la résistance et se mesure en ohms. Graphiquement, c'est la tangente de la pente de la section de travail de la caractéristique. Évidemment, plus la résistance est faible, meilleure est la qualité de stabilisation. Pour une diode Zener idéale (qui n'existe pas dans la pratique), Rst est égal à zéro - toute augmentation de courant ne provoquera aucun changement de tension et la section caractéristique I – V sera parallèle à l'axe y.
Marquage des diodes Zener
Les diodes Zener domestiques et importées dans un boîtier métallique sont marquées simplement et clairement. Ils sont marqués du nom de l'appareil et de l'emplacement de l'anode et de la cathode sous la forme d'une désignation schématique.
Les appareils dans un boîtier en plastique sont marqués d'anneaux et de points de différentes couleurs sur les côtés de la cathode et de l'anode. Par la couleur et la combinaison de caractères, vous pouvez déterminer le type d'appareil, mais pour cela, vous devez consulter des ouvrages de référence ou utiliser des programmes de calculatrice. Les deux peuvent être trouvés sur Internet.
Parfois, une tension de stabilisation est appliquée aux diodes Zener de faible puissance.
Circuits de commutation à diode Zener
Le circuit principal pour allumer une diode Zener est en série avec résistance, qui définit le courant à travers le dispositif à semi-conducteur et prend la tension en excès. Les deux éléments font diviseur commun. Lorsque la tension d'entrée change, la chute aux bornes de la diode Zener reste constante, tandis que la chute aux bornes de la résistance change.
Un tel circuit peut être utilisé indépendamment et est appelé stabilisateur paramétrique. Il maintient la tension à la charge constante, malgré les fluctuations de la tension d'entrée ou du courant consommé (dans certaines limites). Un bloc similaire est également utilisé comme circuit auxiliaire lorsqu'une source de tension de référence est nécessaire.
Une telle inclusion est également utilisée comme protection des équipements sensibles (capteurs, etc.) contre l'apparition anormale de haute tension dans la ligne de puissance ou de mesure (impulsions constantes ou aléatoires). Tout ce qui est au-dessus de la tension de stabilisation du dispositif à semi-conducteur est "coupé". Un tel schéma est appelé "barrière Zener".
Auparavant, la propriété de la diode Zener de «couper» les pics de tension était largement utilisée dans les circuits de mise en forme d'impulsions. Des dispositifs à deux anodes étaient utilisés dans les circuits à courant alternatif.
Mais avec le développement de la technologie des transistors et l'avènement des circuits intégrés, ce principe a été rarement utilisé.
S'il n'y a pas de diode Zener à portée de main pour la tension souhaitée, elle peut être composée de deux. La tension totale de stabilisation sera égale à la somme des deux tensions.
Important! Ne connectez pas de diodes Zener en parallèle pour augmenter le courant de fonctionnement ! La propagation des caractéristiques courant-tension conduira à la sortie d'une diode Zener dans la zone de claquage thermique, puis la seconde échouera en raison de l'excès de courant de charge.
Bien que dans la documentation technique de l'époque de l'URSS, il soit permis parallèle inclusion zeners en parallèle, mais à condition que les dispositifs soient du même type et que la puissance totale de dissipation réelle pendant le fonctionnement ne dépasse pas la valeur autorisée pour une seule diode zener. C'est-à-dire qu'une augmentation du courant de fonctionnement dans cette condition ne peut pas être obtenue.
Pour augmenter le courant de charge admissible, un autre schéma est utilisé. Le stabilisateur paramétrique est complété par un transistor, et un émetteur suiveur est obtenu avec une charge dans le circuit émetteur et une stabilité tension de base du transistor.
Dans ce cas, la tension de sortie du stabilisateur sera inférieure à Ustabilisation par la quantité de chute de tension à la jonction de l'émetteur - pour un transistor au silicium, environ 0,6 V. Pour compenser cette diminution, vous pouvez allumer une diode en série avec la diode Zener dans le sens direct.
De cette façon (en allumant une ou plusieurs diodes), vous pouvez régler la tension de sortie du stabilisateur vers le haut dans une petite plage. Si vous devez augmenter radicalement Uout, il est préférable d'allumer une autre diode Zener en série.
La portée de la diode Zener dans les circuits électroniques est vaste. Avec une approche consciente du choix, ce dispositif à semi-conducteur aidera à résoudre de nombreux problèmes assignés au développeur.
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