Diodo Zener em Fontes DC: Regulação de Tensão Através de Ruptura Controlada
O papel de um diodo Zener em uma fonte DC é regulação de tensão via ruptura reversa controlada. Ele mantém tensão quase constante entre seus terminais apesar de mudanças na tensão de entrada ou corrente de carga — atuando como regulador shunt.
O Mecanismo Zener
- Operação polarizada reversamente: Anodo no negativo, catodo no positivo.
- Tensão de ruptura (V_Z): Em tensão reversa específica, a junção rompe — ou ruptura Zener (<5V, tunelamento quântico) ou ruptura por avalanche (>5V, ionização por impacto).
- Grampo de tensão: Na ruptura, tensão no diodo permanece ≈ V_Z sobre ampla faixa de corrente (I_ZK a I_ZM).
Circuito Básico de Regulador Shunt
Vin (+) ──[Rserie]──+── Vout (regulada) | [Zener] | Vin (-) ─────────────+── GND
- R_serie derruba tensão excedente: V_R = V_in - V_Z
- Corrente divide: I_R = I_Z + I_carga
- Regra de projeto: Escolha R_serie para I_Z(min) > I_ZK (corrente de joelho, ~0,5–1 mA) em carga máxima + V_in mínimo.
Parâmetros-Chave (Datasheet)
| Parâmetro | Símbolo | Faixa Típica | Significado |
|---|
| Tensão Zener | V_Z | 2,4V – 200V | Tensão de saída regulada |
| Corrente de teste | I_ZT | 5–50 mA | Onde V_Z é especificada |
| Corrente de joelho | I_ZK | 0,1–1 mA | Corrente mínima para regulação |
| Corrente máxima | I_ZM | P_Dmax/V_Z | Limite térmico |
| Impedância dinâmica | Z_ZT | 1–200 Ω | ΔV/ΔI — menor = melhor regulação |
| Coeficiente de temperatura | α_VZ | ±0,05%/°C | Deriva de V_Z com temperatura |
Aplicações em Fontes de Alimentação
- Regulador shunt simples: Baixa corrente (<50 mA), referência de tensão fixa.
- Referência para amplificador de erro: Zener + amp-op → regulador série de precisão (723, TL431 usa bandgap, não Zener).
- Proteção contra sobretensão (crowbar): Zener dispara SCR para curto-circuitar saída → queima fusível.
- Deslocamento de nível: Polariza bases de transistores, define limiares de comparadores.
- Grampo de surto: Supressor de tensão transitória (TVS) — Zener otimizado para ESD/surto.
Limitações
- Eficiência pobre: Corrente shunt flui sempre. P_perda = V_Z × I_Z.
- Regulação de carga limitada: ΔV_out = Z_ZT × ΔI_carga.
- Dissipação de potência: R_serie e Zener ambos esquentam. Precisam dissipadores para >0,5W.
- Ruído: Zeners de avalanche (>5V) geram ruído broadband. Zener enterrado / bandgap melhor para precisão.
Substituição Moderna: TL431 / ATL431 / LM4040
Reguladores shunt programáveis (baseados em bandgap) substituem Zeners na maioria dos projetos:
- V_ref ajustável (2,5V–36V)
- Z_out menor (~0,2 Ω)
- Menor ruído, melhor tempco
- Mesmo encapsulamento 3 terminais (TO-92, SOT-23)
Diodos Zener são o grampo de tensão clássico e simples. Ainda úteis para referências de baixa potência, grampos e educação — mas para fontes de alimentação de produção, a família TL431 é superior em quase todas as métricas.
