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Diodo Zener – Come stabilizzare una tensione continua utilizzando uno o più diodi Zener

Il diodo Zener è un tipo di diodo a giunzione p-n, e a differenza dei diodi al silicio, non vengono utilizzati per raddrizzare tensioni alternate, ma solamente per stabilizzare tensioni continue. Infatti, questi vengono costruiti appositamente per sfruttare il cosidetto funzionamento in valanga, secondo caratteristiche particolari per dissipare potenza con utilizzo in zona di “break down”.

In questo modo la tensione ai capi del diodo rimane approssimativamente costante al variare della corrente, perciò il diodo potrà sempre fornire una tensione di riferimento relativamente costante.

In figura possiamo osservare il simbolo elettrico del diodo Zener, che si differenzia dal classico diodo comune per la presenza sul catodo delle due alette con direzione opposta.

Come già accennato in precedenza, il compito del diodo zener è quello di stabilizzare una tensione continua, portandola al valore per il quale è stato progettato il diodo. Infatti, sul corpo del diodo zener è sempre presente un numero, il quale rappresenta la tensione di lavoro del diodo stesso; la scritta 5V1 ad esempio, indica che il diodo ha una tensione di soglia pari a 5,1 Volt.

Come stabilizzare una tensione con un diodo zener

Per poter ricavare una qualsiasi tensione stabilizzata con un diodo zener, oltre allo stesso diodo, avremo sempre bisogno di inserire nel nostro circuito una resistenza di caduta, collegata tra la tensione in ingresso e il catodo del diodo.

Come possiamo notare dallo schema raffigurato a sinistra, la resistenza R1 è collegata alla tensione in ingresso di 12Vdc, e al catodo del diodo D1. L’anodo invece è collegato direttamente a GND.

Il valore della resistenza R1 deve essere calcolato in base alle nostre esigenze, in funzione alla tensione che si dovrà stabilizzare e alla potenza richiesta in uscita dal nostro circuito. È importante sapere che, se le due tensioni variano, sia in ingresso che in uscita, il valore della resistenza R1 assumerà ogni volta valori e dimensioni diverse.

Per ricavare il valore della resistenza R1 è sufficente eseguire alcuni semplici calcoli:

R = (Vcc – Vcz) / A

in cui:

R = valore ohmnico della resistenza R1 da ricavare;

Vcc = è la tensione di alimentazione in ingresso;

Vcz = è la tensione di lavoro del diodo zener;

A = corrente di assorbimento del dispositivo che il circuito dovrà alimentare;

Detto questo, procediamo subito a calcolare la resistenza per il circuito sopra raffigurato:

Ipotizziamo di dover alimentare un dispositivo con una tensione di 5Vdc e con una corrente di 30mA, la scelta del diodo zener sarà vincolata a sceglierne uno da 5V1; quello che resta ora è calcolare il valore di R1 utilizzando la formula sopra riportata, vediamo come:

R = (12 – 5,1) / 0.030 = 230 ohm. In questo caso verrà utilizzato il valore prossimo, 220 ohm

Formule da utilizzare per diodi zener di potenze differenti:

per diodi zener da 1/2 watt:

Ohm = (Vcc – Vcz) : (20 + mA) x 1000;

per diodi zener da 1 watt:

Ohm = (Vcc – Vcz) : (30 + mA) x 1000;

per diodi zener da 2 watt:

Ohm = (Vcc – Vcz) : (40 + mA) : 1000;

Formule da utilizzare per ricavare la potenza della resistenza da applicare:

per diodi zener da 1/2 watt:

Watt = (Vcc – Vcz) x (20 + mA) : 1000;

per diodi zener da 1 watt:

Watt = (Vcc – Vcz) x (30 + mA) : 1000;

per diodi zener da 2 watt:

Watt = (Vcc – Vcz) x (40 + mA) : 1000;

Diodi zener in serie

Ovviamente, come per i valori delle resistenze, anche le tensioni di soglia dei diodi zener vengono realizzati su valori standard, e anche per i diodi nasce a questo punto l’esigenza di dover ricavare dei valori diversi da quelli standard, collegando in serie due o più diodi. Vediamo come:

Come possiamo notare dallo schema, collegare due diodi in serie è un’operazione molto semplice; l’anodo di D2 è collegato a GND mentre il catodo è collegato all’anodo di D1.

Per ricavarne il valore totale quindi è sufficente solamente sommare i due valori:

VczTot = VczD1 + VczD2 = 5.1 + 3.3 = 8.4 Vcz;

Sapendo che, i due diodi sono da 1/2W, e l’assorbimento richiesto è di 20mA, ricaveremo il valore di R1:

Ohm = (Vcc – Vcz) : (20 + mA) x 1000 = (12 – 8.4) : (20 + 20) x 1000 = 90 ohm; di conseguenza R1 = 100ohm

Watt = (Vcc – Vcz) x (20 + mA) : 1000 = (12 – 8.4) x (20 + 20) : 1000 = 0.144 Watt.

Sapendo che 0.144 Watt è inferiore a 0.5 Watt (1/2 Watt), possiamo tranquillamente utilizzare una resistenza da 1/4 di Watt.

Buona progettazione!

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