terça-feira, 10 de novembro de 2015

O diodo Zener como regulador de tensão

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O comportamento do diodo Zener na região de ruptura permite a montagem de circuitos reguladores de tensão, a partir de fontes que forneçam tensões onduladas, incluindo situações em que a carga apresente um consumo variável.  Um diagrama representativo de um circuito regulador de tensão a diodo Zener na saída de uma fonte de alimentação é ilustrado na Fig.1.


Para que o diodo Zener opere adequadamente como regulador de tensão é necessário introduzir um resistor que limite a corrente inversa através do diodo a um nível inferior ao valor máximo especificado pelo fabricante, conforme indicado na Fig.2. Como pode ser aí observado, o diodo deve ser conectado em paralelo com a carga, que fica assim submetida à mesma tensão existente entre os terminais do Zener.


FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO REGULADOR

O circuito regulador com diodo Zener deve ser alimentado na entrada com uma tensão pelo menos 40% superior ao valor da tensão Zener, para que possa efetuar adequadamente a regulação. Por exemplo, se a tensão regulada for especificada com um valor de 6V o circuito regulador deve utilizar um diodo Zener com VZ = 6V e ser alimentado com uma tensão de entrada de pelo menos 8,5V, como mostra a Fig.3.


Com base no diagrama de circuito mostrado na Fig.4, a corrente através do resistor limitador é dada pela soma

Is=Iz+Ir

onde:

·   Is  =  corrente através do resistor Rs;
·   Iz  =  corrente inversa no diodo Zener;
·   IR   =  corrente de carga.


Com o diodo Zener operando na região de ruptura, a corrente através do resistor limitador é tal que a queda de tensão se torna

                                      Vs = VentVz                                                         (2)

onde:

·   Vs     =   queda de tensão no resistor limitador.
·   Vent   =   tensão de entrada.

Existem três possibilidades de variação nas condições de operação da fonte regulada:

·   Variações no nível de tensão de entrada.
·   Variações na corrente de carga.
·   Variações no nível de tensão de entrada e na corrente de carga.

A operação do circuito regulador mediante essas condições é analisada a seguir.


VARIAÇÕES NO NÍVEL DE TENSÃO DE ENTRADA


Esta situação é muito comum em circuitos eletrônicos alimentados pela rede elétrica ca, como resultado da ondulação na tensão cc obtida a partir do processo de retificação com ou sem filtro capacitivo de saída. O comportamento do circuito regulador operando sob estas condições é discutido a seguir.

Acréscimo no nível de tensão de entrada


Quando ocorre um acréscimo no nível da tensão de entrada, esse aumento normalmente tenderia a ser transferido diretamente para a carga. Entretanto, o diodo Zener estando em paralelo com a carga mantém a tensão de saída constante. 

A Fig.5a mostra o circuito regulador submetido a um acréscimo na tensão de entrada que varia de um valor Vent(t1) até um valor Vent(t2) entre os instantes de tempo t1 e t2, de acordo com o gráfico da Fig.5b. A este aumento de tensão deve corresponder um aumento de corrente no circuito.

Fig.5 (a) Circuito regulador a diodo Zener, com o gráfico ilustrativo do aumento na tensão de entrada em (b) e o aumento correspondente na corrente através do diodo em (c).

O aumento de corrente no circuito ocorre exclusivamente através do diodo Zener, conforme se pode verificar a partir da curva característica mostrada na Fig.5c. Como pode ser aí observado, a corrente através do diodo que no instantet1 valia Iz(t1), aumenta para um valor Iz(t2).  Isso faz que a tensão através do diodo aumente do valor Vz(t1) para o valor Vz(t2).  No entanto, como a região de ruptura na curva característica é praticamente vertical, a variação na tensão Zener é muito pequena, fazendo que a tensão na carga permaneça praticamente constante.

         Pela Eq.(1), um aumento no valor da corrente Iz provoca um aumento na corrente Is através do resistor limitador. Esse aumento de corrente provoca um aumento na queda de tensão Vs através do resistor. Como a tensão Zener se mantém praticamente constante, conclui-se que o aumento no valor da tensão de entrada é totalmente aplicado entre os terminais do resistor limitador.

Decréscimo no nível de tensão de entrada


A Fig.6a mostra o gráfico da tensão de entrada quando esta diminui de um valor Vent(t1) até um valor Vent(t2). Nessa situação a corrente no circuito tende a diminuir.

De acordo com o que foi discutido anteriormente, essa variação de corrente ocorre exclusivamente através do diodo Zener, conforme se pode verificar a partir de um exame da curva característica mostrada na Fig.6b. A queda de tensão através do diodo, e por conseqüência através da carga, sofre um decréscimo praticamente desprezível devido à característica vertical da curva da Fig.6b na região de ruptura.


Como a tensão Zener se mantém praticamente constante, conclui-se que o decréscimo no nível da tensão de entrada é totalmente aplicado entre os terminais do resistor limitador.

         A partir dessa análise pode-se extrair a seguinte conclusão, ilustrada diagramaticamente na Fig.7:


VARIAÇÃO NA CORRENTE DE CARGA


         Devido à característica não ideal dos filtros capacitivos, a tensão de ondulação na saída de uma fonte retificadora é influenciada pelo valor da corrente consumida pela carga.

         O diodo Zener, quando utilizado em um circuito regulador, possibilita que a tensão de saída permaneça praticamente invariável independentemente do consumo de corrente pela carga.


 Para o circuito representado na Fig.8, admitindo-se que a tensão de entrada seja constante e que o diodo Zener esteja operando na região de ruptura, a Eq.(2) indica que  a queda de tensão sobre o resistor  limitador é constante.


com o numerador da Eq.(3) representando a queda de tensão no resistor Rs.  Dessa forma, a corrente Is permanece constante.

         Da Eq.(1), reproduzida a seguir,

                                      Is = Iz + IR                                                              (1)

nota-se que, como a soma das correntes no segundo membro é constante, então:

IR ­
Þ
Iz ¯

IR ¯
Þ
Iz ­

A partir das relações representadas no diagrama anterior pode-se extrair a seguinte conclusão:

Para uma tensão de entrada constante, qualquer variação na corrente através da carga é compensada por uma variação oposta na corrente através do diodo Zener, de forma a manter a tensão na carga praticamente constante.

VARIAÇÕES NO NÍVEL DE TENSÃO DE ENTRADA E NA CORRENTE DE CARGA


         Na maioria dos casos os circuitos reguladores estão sujeitos a variações simultâneas de tensão de entrada e de corrente de carga. Essas variações se traduzem como variações de tensão e corrente nos elementos do circuito regulador, que obedecem aos dois princípios seguintes:

    Variações na tensão de entrada são transferidas diretamente para o resistor limitador.

    Variações na corrente de carga são compensadas por variações opostas de corrente no diodo Zener.

         Esses dois princípios estão representados diagramaticamente na Fig.9.


FONTE DE ALIMENTAÇÃO COM TENSÃO DE SAÍDA REGULADA A DIODO ZENER


Uma fonte de alimentação com tensão de saída regulada a diodo Zener se compõe basicamente dos três blocos representados na Fig.10.


Os blocos do diagrama da Fig.10 realizam as seguintes funções:

   Retificação: A tensão ca da rede elétrica é transformada em cc pulsada.

   Filtragem: A tensão cc pulsada é filtrada, fornecendo uma saída ondulada próxima à tensão cc ideal.

   Regulação: A tensão cc ondulada é transformada em uma tensão cc praticamente constante, como mostrado na Fig.11.


A Fig.12 ilustra o aspecto de uma placa de circuito impresso configurada para implementação de uma fonte cc com tensão de saída regulada a diodo Zener, e os blocos correspondentes ao diagrama da Fig.10. O reparo ou teste de um circuito desse tipo pode ser realizado com base  no fluxograma mostrado na Fig.13.



Fig.13 Fluxograma utilizado para o reparo ou teste de uma fonte cc regulada a diodo Zener.









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