I diodi Zener hanno vinto alla fiera della scienza indetta dalla mia scuola superiore - E non è finita lì

I progettisti di circuiti utilizzano i diodi Zener come riferimenti di tensione e regolatori di tensione da più di cinquant'anni. Ho usato i diodi Zener per la prima volta nel 1970, per progettare un alimentatore che faceva parte di un progetto per la fiera della scienza indetta dalla mia scuola superiore. Il progetto era per un sistema ottico di comunicazioni a fibra ottica basato su LED infrarossi, fototransistor e cavi di fibra ottica in plastica. In quegli anni, le comunicazioni tramite fibra ottica e i componenti optoelettronici stavano muovendo i primi passi, e così il progetto fu uno dei premiati.

Il sistema ottico di comunicazioni utilizzava la logica digitale RTL, che non aveva niente a che fare con il "Register Transfer Level" di oggi. Oggi RTL viene utilizzato per la progettazione della logica per ASIC, SoC, FPGA e CPLD, mentre, durante la metà del XX secolo, "RTL" stava per "Resistor Transistor Logic", la prima vera famiglia di logica in CI.

In origine, RTL (la famiglia di logica) fu sviluppata per applicazioni missilistiche e aereospaziali degli Stati Uniti. Venne selezionata come la famiglia di logica su cui realizzare l'Apollo Guidance Computer (AGC), che gestiva i motori principali della navicella e i propulsori per il controllo dell'assetto tramite un sistema fly-by-wire. Il sistema fly-by-wire Apollo e AGC fu il primo di quel tipo senza riserva meccanica o idraulica. Dal 1968 al 1972, l'AGC portò le missioni Apollo 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 e 17 sulla luna e le fece poi rientrare sane e salve sulla terra. Certo, le missioni Apollo 8 e 10 non atterrarono sulla luna, ma percorsero comunque lo stesso tragitto.

L'AGC utilizzava migliaia di CI RTL, e fu emozionante per me usare gli stessi avanzatissimi componenti elettronici nel mio progetto scolastico. Dopotutto, il programma Apollo era ancora attivo quando lavoravo al mio progetto.

I vecchi CI RTL avevano bisogno di un alimentatore stabilizzato da 3,6 V. Oggi, un regolatore a tre terminali regolabile come un LM317 di Texas Instruments forse sarebbe la prima scelta per un semplice progetto di alimentatore lineare, ma i regolatori a tre terminali non erano ancora diffusi al tempo, essendo stati inventati solo l'anno prima, e LM317 venne creato solo nel 1976. Probabilmente, per un circuito per un alimentatore stabilizzato lineare, si sarebbe utilizzato un diodo Zener. Ed è proprio quanto feci io. Il mio progetto utilizzava diversi diodi Zener di Motorola Semiconductor, insieme ad alcuni grandi pass transistor, per creare tre tensioni di alimentazione regolata, compresa un'alimentazione da 3,6 V per il CI RTL. ON Semiconductor ereditò tutti i diodi Zener di Motorola Semiconductor, e li vende ancora oggi, oltre a molti altri più moderni in contenitori a montaggio superficiale. Motorola Semiconductor lasciò a ON Semiconductor persino il vecchio manuale sui diodi Zener, disponibile oggi in formato PDF (Riferimento 1).

Principi base dei diodi Zener

In polarizzazione diretta, i diodi Zener funzionano come qualsiasi altro diodo. Con una polarizzazione inversa, invece, si comportano diversamente. Per le basse tensioni di polarizzazione inversa, i diodi Zener non conducono corrente, proprio come ci si aspetterebbe da un tipico diodo a semiconduttore. Tuttavia, quando la tensione di polarizzazione inversa all'interno del diodo Zener raggiunge la tensione di Zener o di rottura, il diodo si "rompe" e la corrente scorre.

La curva di corrente/tensione per un diodo Zener (Figura 1) mostra che, dopo aver raggiunto la corrente minima di Zener necessaria (IZT), la tensione all'interno del dispositivo nella regione Zener a polarizzazione inversa è quasi costante a prescindere dalla corrente di polarizzazione inversa. In altre parole, un diodo Zener fornisce una tensione di riferimento stabile e nota in svariate condizioni di polarizzazione inversa.

Figura 1: La curva di corrente/tensione per un diodo Zener illustra il tipico comportamento di un diodo per una tensione di polarizzazione diretta (metà destra della curva), ma un comportamento di rottura per una tensione di polarizzazione inversa pari o superiore alla tensione di Zener (metà sinistra della curva). (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Persino oggi, quasi 50 anni dopo il mio progetto delle superiori, i diodi Zener sono ugualmente utili come riferimenti di tensione, come regolatori piccoli ed economici per alimentatori a bassa corrente e persino come clamp di tensione di segnale quando collegati in serie.

I diodi Zener prendono il loro nome da Clarence Melvin Zener, il primo a prevedere l'effetto della rottura di tensione a cui poi venne dato il suo nome in uno studio pubblicato nel 1934. E tutto questo molto prima che William Shockley notasse quest'effetto nei primi diodi a semiconduttore realizzati presso Bell Labs intorno al 1950. Sorprendentemente, questi dispositivi vennero battezzati "diodi Zener" in onore di chi aveva preveduto l'effetto di rottura.

È facile distinguere un diodo Zener in uno schema: lo si individua dalle due ali sulla barra del catodo del simbolo corrispondente, come nella Figura 2. Potete pensare alla barra del catodo con il simbolo del diodo Zener come a una rappresentazione astratta della caratteristica curva di rottura del diodo o alla "Z" di "Zener". O, almeno, è così che preferisco immaginarmelo io.

Figura 2: Volendo, la barra del catodo del simbolo del diodo Zener nello schema può essere vista come la caratteristica curva di rottura del diodo o come una "Z" stilizzata. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

La caratteristica più importante di un diodo Zener è che è in grado di sostenere una tensione quasi costante al suo interno quando questa è di polarizzazione inversa e quando il diodo riceve abbastanza corrente (in genere qualche milliampere) perché l'effetto Zener si verifichi. La tensione quasi costante serve come tensione di riferimento stabile.

I diodi Zener sono disponibili in molte tensioni fisse. Nella pagina dei diodi Zener di Digi-Key è presente un elenco di oltre 2.988 diodi disponibili (tutti prodotti da ON Semiconductor) con oltre 150 tensioni di rottura Zener da 1,2 a 200 V.

Tecnicamente, qualsiasi diodo Zener con una tensione di rottura inversa superiore a circa 5,5 V è un diodo a valanga, ma sia in questi che nei diodi Zener si verifica un effetto di rottura inversa simile che permette a questi dispositivi di fungere da riferimenti di tensione. Per questo, in genere, sono tutti raggruppati sotto il nome "Zener".

L'intervallo delle tensioni di rottura di un diodo Zener è impressionante. In pratica, sono disponibili in passi di 0,1 V da 1,2 a 7 V. È quindi meno probabile che sia necessario il trimming quando si utilizza un diodo Zener per generare una determinata tensione di riferimento.

Utilizzare i diodi Zener

Il segreto per utilizzare un diodo Zener come riferimento di tensione o come regolatore di tensione è assicurarsi che riceva corrente a sufficienza, in genere tra pochi e diversi milliampere, per mantenere l'effetto Zener sotto polarizzazione inversa. Ciò si ottiene con un resistore in serie delle dimensioni adeguate (Figura 3). Il valore e la potenza del resistore dipenderanno dai valori per Vin e per Vref.

Figura 3: Un semplice riferimento di tensione o regolatore di tensione di Zener utilizza un resistore adeguato per alimentare il diodo Zener con corrente sufficiente a mantenere l'effetto Zener. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Lo schema funziona come riferimento di tensione o come regolatore di tensione di Zener per alimentatori a bassa corrente. Un diodo Zener può fungere da regolatore economico, specialmente per carichi costanti a bassa corrente. Se il carico varia, anche la corrente che attraversa il diodo Zener varierà. Il diodo Zener deve assorbire la corrente non utilizzata dal carico. Si tratta di una cosa importante, in quanto il diodo Zener deve riuscire a gestire tutta la corrente che scorre attraverso il resistore in serie se la corrente di carico scende a zero.

La potenza massima che il diodo Zener deve dissipare è la corrente che scorre attraverso il diodo Zener, moltiplicata per la tensione di Zener. Per i carichi a corrente costante, il resistore in serie dovrebbe essere delle dimensioni adeguate per permettere solo alla giusta quantità di corrente che scorre all'interno del diodo di avviare e mantenere l'effetto di rottura Zener. La corrente rimanente dovrebbe scorrere liberamente attraverso il carico. Se la corrente di carico può scendere a zero, la corrente che scorre attraverso il diodo Zener a carico zero moltiplicata per la tensione di Zener dà la potenza minima assoluta che il diodo deve poter dissipare. Come sempre, tenete in considerazione un discreto margine per la potenza nominale del diodo Zener per evitare il surriscaldamento nelle applicazioni in cui la corrente di carico può subire variazioni.

Per informazioni dettagliate sulle applicazioni e per le equazioni necessarie a calcolare l'adeguato valore del resistore per una determinata applicazione del diodo Zener, consultate il manuale sui diodi Zener di ON Semiconductor già citato.

La corrente necessaria per mantenere l'effetto di rottura Zener è sull'ordine dei milliampere, il che potrebbe costituire un problema per i circuiti a bassa corrente. I riferimenti di tensione a due terminali (chiamati anche riferimenti di intervallo di banda) con correnti di funzionamento molto ridotte sono ora disponibili per essere adoperati in tali applicazioni.

Ad esempio, il riferimento di tensione a shunt di precisione in micropotenza LM4040 di Texas Instruments ha una corrente catodica minima inferiore a 80 µA ed è disponibile con tensioni di riferimento fisse di 2,048, 2,5, 3, 4,096, 5, 8,192 e 10 V, nonché tolleranze di tensione regolate in fabbrica che vanno dallo 0,1 all'1%.

Durante l'uso, la progettazione del circuito per questi riferimenti di tensione è uguale a quella per il diodo Zener, come mostrato nello schema della Figura 3. I due terminali attivi sul riferimento di tensione LM4040 sono chiamati anodo e catodo, come se il dispositivo fosse un diodo. Tuttavia, LM4040 non è un diodo, come visibile dallo schema relativo (Figura 4).

Figura 4: Lo schema interno di un riferimento di tensione LM4040 mostra che è molto più di un semplice diodo. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Conclusione

Solo perché un dispositivo esiste da parecchio tempo non significa che non abbia più una sua utilità. I fornitori di dispositivi producono diodi Zener da più di sessant'anni e non hanno intenzione di fermarsi. Allo stesso modo, anch'io sono cambiato un po', ma non ho intenzione di fermarmi.

Se avete bisogno di un riferimento di tensione per il quale sia necessaria meno corrente per funzionare, date un'occhiata anche ai riferimenti di tensione a due terminali.

 

Riferimenti:

1 – ON Semiconductor - Teoria Zener e considerazioni sulla progettazione

Informazioni su questo autore

Image of Steve Leibson Steve Leibson è stato System Engineer per HP e Cadnetix, Editor in Chief per EDN e Microprocessor Report, blogger tecnologico per Xilinx e Cadence (solo per citarne alcuni), e ha collaborato come esperto di tecnologia in due episodi di "The Next Wave with Leonard Nimoy". Da 33 anni collabora con molti progettisti allo sviluppo di sistemi migliori, più veloci e più affidabili.
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