T.S.A.I.I Date LA DIODE ZENE COUS S106-5 ******* ******* Courant électrique 1 ) Symboles et constitution : C'est une diode au silicium judicieusement dopé. Polarisée en inverse, elle permet d'exploiter l'effet zener ou l'effet d'avalanche contrôlée. cathode cathode 2 ) Caractéristique : - Polarisée en direct, la diode zener se comporte comme une diode au silicium. Seuil : 0,6 volt. - Polarisée en inverse, la diode zener s'amorce pour une tension de seuil Vz 0, appelée tension zener. - Si Iz est trop petit (<< 1 ma), la diode est bloquée. 0 < V k a < Vz 0, Dz # circuit ouvert. - Si Iz atteint 5 ma et plus, la diode zener est amorcée V k a = Vz 0, # constante quelque soit Iz > 5 ma. Dz = f. c. e.m. Alors : I Z E Z0 V 1
3 ) Schéma équivalent : Si on observe la caractéristique inverse de la diode zener, on constate : 1 ) Coude d amorçage. Le coude d'amorçage n'est pas un angle droit. D'où l'incertitude sur l'obtention du seuil Vzo. L'expérience montre que si I z est > 5 ma, la diode zener est amorcée : Vzo = f.c.e.m. 2 ) ésistance dynamique. La partie verticale de la caractéristique présente une certaine pente. C'est la résistance dynamique de la diode que l'on appellera z ou z, 3 ) Schéma équivalent : VZ z Z IZ, z ou z est de faible valeur, quelques ohms. Iz + - z Vz0 Vzo est une f. c. e. m et z est la résistance dynamique. 4) Test d'une diode zener à l ohmmètre : Faire des essais et conclure. 5) Technologie : Les diodes zener sont caractérisées par : - Leur tension de seuil (série E12, E24.) et leur tolérance. L'échelle des valeurs commerciales va de quelques volts à une centaine de volts. - Leur puissance maximale : Vzo x Iz max. < 2 watts, ou leur courant Iz max. 2
6) Complément d'information : - Une diode zener est toujours alimentée par une résistance ballast qui limite le courant Iz. - Pour une diode zener donnée, z baisse si Iz croît. Les diodes zener de 8 volts possèdent la caractéristique verticale la plus abrupte : z très petite. - Comme tous les semi-conducteurs, les diodes zener sont sensibles à la température, ce qui entraîne une légère dérive de leur seuil. VZ 1 Soit a t le coefficient de température : t VZ0 t0 - a t = 0 pour les diodes zener dont le seuil Vzo = 5,6 volts. - a t > 0 pour les diodes zener dont le seuil Vzo > 5,6 volts, ( si la t s'élève, Vz monte ). - a t < 0 pour les diodes zener dont le seuil Vzo < 5,6 volts, ( si la t s'élève, Vz baisse ). * - Il est possible d'associer des diodes zener en série. * - Les constructeurs fabriquent des diodes zener compensées en température. 7) «Fabrication» de diodes zener de puissance : b E E Iz C Iz b C T est un transistor de T est un transistor de puissance N P N. puissance P N P. I Vce I = Vzo + 0,7 v # constante. La diode zener est amorcée par deux courants : I + I b. 3
8) Applications des diodes zener à la stabilisation de tensions continues : 1 )But : Obtenir une tension rigoureusement continue grâce au pouvoir d'écrétage d'une diode zener. 2 ) Données : On dispose d'une tension redressée aux bornes d'un condensateur de tête capable de fournir quelques centaines de ma. Cette tension est définie par : - Sa valeur moyenne: V moy. - Son ondulation résiduelle: Va, de fréquence F. - Ses variations aléatoires dues aux fluctuations de la source d'énergie (en %). 3 ) Câblage : Va 4 ) Stabilisation amont : Si Va moyen varie il faut que la diode zener reste toujours amorcée fi Va > Vz = Vu. VZ Or si Va moyen varie, I varie, IU donc Iz varie. U - absorbe les variations de tension amont (ballast). - Dz consomme l excès de courant I - Iu = Iz. 5 ) Application numérique : Va moyen =18 volts ± 5 %. "u" consomme 27 ma sous 12 volts. On choisit Dz de 12 V/50 ma. Le calcul de la résistance ballast doit se faire pour le cas le plus défavorable : Va moyen min. et Iz min. Va Vu I Va min i Vz 17 12 Iu Izmin i 27 5 150 La puissance de la résistance doit être prévue pour Va max. : 4
P U 19 12 2 2 150 1 Watt 1 Watt câblée. 3 Dz absorbe alors un courant de I max. - Iu = 20 ma. Ce courant doit être inférieur à Iz max. 6 ) Ondulation résiduelle sur Vu : Vis à vis des variations de tension Va, la diode zener se comporte comme une simple résistance r z. Sa f.c.e.m. Vzo = court - circuit (voyez en III). Z Z Vu Vz Va Va Z Poursuivons l'application numérique : si r z = 7,5 et Va = 3 volts, Vu 3 7, 5 3 150 1 20 150 mv L'ondulation est réduite d'un facteur 20 (soit -26 db). 7 ) facteur de filtrage : On appellera facteur de filtrage le rapport Va Vz A noter qu'il est apériodique. 8 ) Stabilisation aval : Si l'on envisage une charge u variable, Iu va varier et la diode zener ne doit pas se désamorcer. Pour u mini, soit Iu maxi 15 ma I Iu Iz Pour u maxi, sooit Iu mini Iz maxi. Le risque de désamorçage a lieu pour Iu max. Poursuivons l'exemple numérique : Iu = 27 ma ± 6 ma. Il faut recalculer la valeur de la résistance ballast. Va mini - Vz 17 12 Iu maxi + Iz mini 33 ma + 5 ma 131, 5, soit 120 normalisée 9 ) Conclusions : 5
Va mini - Vz Iu maxi + Iz mini Vu et Va Z Système très satisfaisant mais d'un rendement désastreux d'environ 50 %. 10 ) Annexe : Câblage avec transistor ballast : Va Vu = Vz - 0,7 V. 9) Autres applications : 1 ) Ecrétage : mise en forme de signaux. 2 ) Protections : Des circuits intégrés de certains circuits électroniques. 3 ) Fabrication de tensions étalons continues : utilisées comme consigne dans les asservissements et les régulations. 6