Diodo Zener
Il diodo zener, chiamato poi comunemente zener, come dice il nome stesso, è un tipo di diodo particolare.
Come il normale diodo si presenta anch'esso come un cilindretto, con i 2 refoli alle estremità per poter essere collegato o saldato ad un circuito elettronico.
Anche lo zener, come il normale diodo è polarizzato, presenta un anodo (positivo) ed un catodo(negativo), quindi anche sul corpo di questo componente è stampata una fascia in prossimità del catodo, o terminale negativo.
Ovviamente all'interno degli schemi elettronici, lo zener deve essere diversificato dal normale diodo, il suo simbolo è molto simile a quello del diodo, ma per diversificarlo, sono state aggiunte due stanghette come è visibile nella figura sotto.
Anch'esso ovviamente fa parte della famiglia dei semiconduttori, quindi come spiegato nell'articolo riguardante il diodo, è principalmente un isolante, che però posto in determinate condizioni inizia a condurre, divenendo quindi un conduttore.
La prima condizione per farlo divenire un conduttore, è quella di polarizzarlo allo stesso modo di un normale diodo, ovvero positivo di alimentazione collegato al suo anodo, o negativo di alimentazione collegato sul suo catodo.
In questo modo, lo zener riesce a farsi attraversare da una corrente, quindi se posto in questa condizione lo zener conduce, allo stesso modo di come farebbe un normale diodo.
Possiamo dire che se polarizzato direttamente, lo zener si comporta come un normale diodo, senza sostanziali differenze.
Allora qualcuno si starà domandando dove è la differenza tra lo zener e un normale diodo, la differenza sta appunto nella polarizzazione inversa, ovvero quando il componente si trova collegato con un positivo sul catodo, o un negativo sull'anodo.
Un normale diodo, in questa condizione di polarizzazione inversa, non condurrebbe mai, mentre lo zener ha una soglia di conduzione, sotto la quale si comporta come isolante, come farebbe il normale diodo, ma superata questa soglia di tensione, lo zener è in grado di far scorrere corrente e quindi condurre anche quando è polarizzato inversamente.
Ricapitolando, lo zener conduce se polarizzato direttamente, come farebbe anche un normale diodo, ma a differenza di quest'ultimo, conduce pure se polarizzato inversamente, a condizione che venga superata la soglia di tensione, detta tensione di zener, normalmente espressa come Vz.
Ovvio quindi che nei circuiti elettronici, quando utilizzato, verrà utilizzato polarizzato inversamente, proprio per sfruttare questa caratteristica di conduzione, oltre un certo valore di tensione.
Grazie a questa caratteristica dello zener di condurre solo sopra un certo valore di tensione Vz, può essere impiegato in tutte quei casi dove c'è da svolgere una determinata funzione, solo al superamento di una determinata soglia di tensione.
Un semplice utilizzo del diodo zener, può ad esempio essere un controllo batteria carica/scarica, un semplice led collegato in serie al diodo zener, che si accende solo quando la batteria è carica, ovvero sopra un certo livello di tensione.
Nel circuito sopra il led si accende quando la tensione batteria è superiore ai 13,2v questo perché una batteria da 12v quando completamente carica presenta ai suoi capi una tensione superiore a 13v
Nel circuito è stato utilizzato un diodo zener con tensione di zener Vz=11v, abbinato ad un led verde, avente tensione di funzionamento di 2,2v e corrente nominale di 20mA.
Vediamo ora perché per far accendere un led con tensione superiore a 13,2v è stato utilizzato un diodo zener da 11v.
Fino a quando la tensione della batteria è inferiore a Vz, lo zener non conduce.
Quando viene superata la tensione Vz di 11v, lo zener inizia a condurre, ma su di esso cade costantemente la sua tensione di zener, quindi essendo in questo caso Vz=11v, quando lo zener entra in conduzione, su di esso cadono costantemente 11v.
Ad esempio quando la tensione della batteria è 11,5v succede che lo zener entra in conduzione, ma se 11v cadono sullo zener, sul led arrivano solo 0,5v e quindi il led rimane ancora spento.
Se la tensione della batteria è 12v, succede che il diodo zener entra in conduzione, 11v cadono comunque sempre sul diodo zener, e quindi sul led arrivano solo 1v, ancora insufficienti a far accendere il led.
Praticamente sul led arriveranno 2,2v solo quando la tensione della batteria sarà uguale a 13,2v ovvero quando 11v cadono sullo zener e di conseguenza 2,2v cadono sul led.
Dato che la tensione di una batteria completamente carica può arrivare anche a 13,5v è stata inserita una resistenza di limitazione per non far scorrere troppa corrente sul led, e sullo zener.
La resistenza è stata calcolata per una tensione di 13,5v quindi sapendo che 11v cadono sullo zener, e 2,2v cadono sul led, rimangono da smaltire sulla resistenza 13,5-11-2,2=0,3v ed avendo un led da 20mA, quindi dovendo far scorrere nel circuito, una corrente massima di 20mA, con la legge di Ohm R=V/I posso calcolarmi il valore della resistenza 0,3/0,02=15 Ohm.
Dal circuito sopra, abbiamo capito che quando lo zener polarizzato inversamente entra in conduzione, ai suoi capi è presente una tensione fissa di valore uguale a Vz.
Quindi ad esempio ai capi di uno zener avente Vz=10v polarizzato inversamente, si avrà una tensione fissa di 10v.
Io posso alimentare il mo zener con una tensione di 12v e misurare ai capi dello stesso una tensione di 10v, oppure alimentare lo stesso zener con una tensione di 15v e misurare ai capi dello stesso sempre una tensione di 10v.
Allora se ai capi del mio zener da 10v ho sempre una tensione di 10v, indipendentemente dalla tensione di alimentazione(ovviamente quando questa è superiore a Vz, in modo da far condurre lo stesso zener), allora posso utilizzare lo zener anche come stabilizzatore di tensione.
Posso avere una tensione che oscilla ad esempio tra 12 e 15v, e utilizzare uno zener da 9v per ottenere una tensione fissa di 9v o ancora utilizzare uno zener da 12v per ottenere una tensione fissa di 12v.
Ed è proprio questo forse uno dei maggiori utilizzi del diodo zener, ovvero stabilizzare ad un valore fisso una tensione, sia per avere una tensione di riferimento fissa, sia anche per alimentare dei circuiti, e quindi utilizzare lo zener per creare un vero e proprio alimentatore a tensione fissa.
In figura sopra possiamo vedere lo schema più elementare di un alimentatore da 12v, ottenuto tramite l'utilizzo di uno zener avente Vz=12V, ed una resistenza necessaria per limitare la corrente che scorre nello stesso zener.
Lo zener infatti, oltre al parametro Vz che indica la soglia di tensione dello zener, come quasi tutti i componenti elettronici ha pure altri parametri tra cui la corrente massima sopportabile, oltre la quale lo zener andrebbe distrutto.
Spesso viene indicata anche solo la potenza massima, e con legge di ohm possiamo risalire alla corrente massima I=P/V dove P è la potenza dello zener e V è la tensione di zener.
Quindi se abbiamo uno zener, da 12v e 500mW, possiamo calcolare che la corrente massima è I=P/V ovvero 41,6mA.
Per calcolare la resistenza, infine è necessario conoscere la tensione in ingresso al nostro alimentatore, supponendo di avere in ingresso 15v, succede che sulla resistenza devono cadere 15-12=3V e quindi sapendo che al massimo potranno scorrere nello zener 41,6mA, con la legge di ohm R=V/I possiamo calcolarci il valore delle resistenza R=3/0,0416=72 ohm arrotondata al valore standard si 82 Ohm.
Purtroppo data la bassa corrente che questi diodi zener supportano, non sono adatti a costruire alimentatori dalle grandi prestazioni, ma sono comunque utili per costruire sezioni di alimentazione, ove è richiesta un bassa corrente nell'ordine di qualche decina di milliampere.