In questo tutorial vedremo alcune operazioni del diodo Zener. Come il normale diodo, ha l’aspetto di un piccolo cilindro, con i due terminali alle estremità da collegare o saldare ad un circuito elettronico. E’ un componente polarizzato, ha un anodo (positivo) e un catodo (negativo). Una fascia è stampata sul corpo di questo componente vicino al 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 piccole linee. Il principale software elettronico utilizzato è LTspice. È un software di simulazione SPICE ad alte prestazioni, cattura schematica e visualizzatore di forme d’onda con miglioramenti e modelli per facilitare la simulazione di circuiti analogici. Può essere scaricato gratuitamente da https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

Diodi Zener

Il diodo Zener è collegato come un normale diodo, se direttamente polarizzato,. A differenza di quest’ultimo, conduce anche se polarizzata invertita, solo se viene superata la soglia di tensione (Vz). Nei circuiti elettronici è polarizzato inversamente per utilizzare questa caratteristica di conduzione, oltre un certo valore di tensione. Grazie a questa caratteristica dello Zener, di condurre solo al di sopra di un certo valore di tensione Vz, può essere utilizzato in tutti quei casi in cui c’è una determinata funzione da svolgere. Cominciamo a prendere confidenza con il funzionamento generale del diodo Zener. Nella figura 1 possiamo vedere un semplice schema elettrico in cui il semiconduttore (EDZV12B a 12 V) è polarizzato direttamente. La simulazione, di tipo DC compresa tra 0 V e 20 V, mostra la tensione di uscita sulla resistenza R1 in funzione della tensione di batteria. Il grafico principale e il grafico “a” confermano una differenza di tensione costante tra il catodo e l’anodo di circa 0,833 V (tensione di giunzione). Questa differenza di tensione costante inizia quando la tensione sull’anodo è maggiore di 0,8 V (grafico “b”).

Figura 1: simulazione di uno Zener in modalità diretta

Nella figura 2 possiamo vedere un semplice schema elettrico in cui il semiconduttore (sempre l’EDZV12B a 12 V) è polarizzato inversamente. La simulazione, del tipo DC compresa tra 0 V e 20 V, mostra la tensione di uscita sulla resistenza R1 in funzione della tensione di batteria. In questa modalità, ovviamente, un normale diodo non conduce corrente. Ma con uno Zener, se la tensione inversa supera una certa soglia (per il nostro diodo è 12 V) inizia a condurre. Ad esempio, se la tensione della batteria è di 18 V, sulla resistenza troveremo la tensione di 6 V (18-12).

Figura 2: simulazione di uno Zener in modalità inversa

Diodi Zener come regolatori

La precedente esperienza ci ha fatto capire che se un diodo Zener inversamente polarizzato va in conduzione, su di esso c’è una tensione fissa Vz. Ad esempio, se c’è sempre una tensione di 12 V su uno Zener da 12 V, indipendentemente dalla tensione di alimentazione, lo Zener può essere utilizzato come stabilizzatore di tensione. Questo è uno dei principali impieghi del diodo Zener, come stabilizzatore a valore fisso, una tensione, utile per avere una tensione di riferimento fissa e per alimentare circuiti a tensione fissa. La figura 3 è molto interessante e mostra come funziona un diodo Zener come stabilizzatore di tensione. E’ un alimentatore a 12 V creato utilizzando un diodo Zener di uguale tensione. Il diodo è preceduto da una resistenza per limitare la corrente e il suo valore è calcolato con precisione. Come puoi vedere dal grafico, l’alimentatore funziona quando la tensione della batteria supera i 12 V. Per valori di batteria inferiori, c’è sempre la differenza di giunzione del diodo di 0,8 V.

Figura 3: uno schema generale del diodo Zener come regolatore

Il grafico in figura 4 mostra anche le correnti su R1 e D1, in funzione della tensione di ingresso della batteria (la scala è a destra). Il progettista deve sempre calcolare questi valori con precisione, anche nei casi peggiori. I diodi Zener, infatti, sono piccoli componenti adatti a basse correnti.

Figura 4: le correnti su R1 e D1

Conclusioni

I diodi Zener sono componenti che stabilizzano la tensione in modo ottimale. Sfortunatamente non possono fornire correnti elevate ma sono molto utili per fornire un riferimento di tensione preciso per gli stadi di potenza successivi. Tutta l’elettronica è regolata da precise formule matematiche. Anche il calcolo delle condizioni dei diodi Zener segue questa regola.