Prova zener, ma non solo...
Capita sovente di trovare “nel cassetto delle meraviglie” dei diodi zener ma di non poterne conoscere la tensione di funzionamento. Spesso la scritta è troppo piccola, magari sbiadita o semplicemente “criptica”. Come fare dunque?
Come provare uno zener
Cos'é un diodo zener
Anzitutto il diodo zener è un particolare tipo di diodo a giunzione p-n, il cui comportamento è determinato dalla combinazione dell'effetto Zener e dell'effetto di breakdown a valanga ed è caratterizzato principalmente dalla tensione Zener normalmente abbreviata come Vz. Viene spesso usato in polarizzazione inversa come elemento di riferimento della tensione e trova applicazione come stabilizzatore di tensione. Coprono un campo di tensione da circa 2,7V a 221V e potenze da 0,25W a decine di W. Per usi amatoriali i dispositivi più comuni hanno tensioni entro le decine di Volt e potenza di qualche Watt al massimo.
Caratteristica V/I del diodo Zener
Quando è polarizzato direttamente (tensione anodo > tensione catodo), il diodo Zener ha un comportamento analogo al diodo normale. Caratteristico è invece il suo comportamento quando polarizzato inversamente (tensione anodo < tensione catodo). Quando la tensione ai capi del diodo Zener è compresa tra 0 V e Vz, il componente è interdetto e non vi è conduzione a meno di una piccola corrente di fuga nota come Ir.
Non appena la tensione applicata sale al di sopra di Vz (detto tensione di Zener o tensione di breakdown o di ginocchio) si innesca l'effetto valanga, per il quale si ha un forte passaggio di corrente tra i due terminali del dispositivo. Questa situazione normalmente distruttiva nei diodi normali è invece quella di più frequente impiego degli Zener, capaci di resistere al forte passaggio di corrente (fino al limite di dissipazione!) e mantenere ai suoi capi la tensione Vz.
Nell'illustrazione 2 sono riportate le curve V/I di una delle più popolari famiglie di dispositivi di bassa potenza. E' interessante notare come il “ginocchio” della caratteristica diventi sempre più ripido al crescere della tensione di Zener.
Usualmente per determinare la sua tensione di breakdown viene in genere sottoposto ad una corrente ”adeguata” e si misura la tensione risultante ai suoi capi. L'adeguatezza della corrente di prova dipende da:
potenza del dispositivo (potenza alta → corrente alta)
tensione del dispositivo (tensione bassa → corrente alta)
Un esempio dei livelli di test può essere preso dai datasheet e per i dispositivi di interesse di questo articolo varia in genere fra alcuni a alcune decine di mA come visibile nell'esempio di illustrazione 3.
Il generatore di corrente costante
Come abbiamo anticipato il cuore del circuito di test è un generatore di corrente costante che possa funzionare ad alcuni livelli predefiniti di corrente e su una ampia gamma di tensioni.
Vediamo nel seguito alcune considerazioni su come progettarlo e le varie migliorie che si possono apportare ad un circuito base.
Consideriamo anzitutto di voler testare diodi zener da 3,3V a 90V circa e con correnti approssimativamente di 5, 10 e 50mA in modo da poter provare dispositivi di varia potenza.
Vediamo nella tabella sottostante quattro schemi, via via più complessi e performanti. In tutti gli schemi si è supposta una alimentazione a 100V del circuito e nella finestra rettangolare è schematizzato il dispositivo in prova con il relativo amperometro di verifica della reale corrente di test.
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A | B | C | D |
Quello in figura A è il circuito più classico e didattico, la base di ogni successiva evoluzione. E' semplice e ragionevolmente efficace e la corrente è regolata dal valore di R3 il cui valore è determinabile come:
Col valore di 12Ω indicato si hanno quindi circa 50 (54) mA.
Purtroppo la sua semplicità ne limita il comportamento al variare del carico. Quando la tensione di zener cresce, la corrente di test diminuisce sensibilmente e questo a causa della corrente di base di T2.
Questo problema può essere risolto sostituendo al BJT un MOS, ottenendo così il circuito “B”. Pur essendo un significativo passo avanti questa configurazione mostra un punto debole: la resistenza R3 non è attraversata dalla corrente di bias di T1 che invece partecipa alla corrente erogata. Specie a bassi livelli, questo può essere un problema.
Il tutto è ancora una volta migliorabile con la configurazione “C”. R2 e T2 formano un generatore di corrente costante sul collettore di T1. Il circuito devia qualsiasi eccesso di corrente di polarizzazione dal collettore di T1 al resistore di controllo R3. Quindi, all'aumentare della tensione in uscita la corrente di polarizzazione rimane relativamente costante e la regolazione della corrente appare molto più piatta.
L'ultimo “limite” della configurazione appena vista è la sua sensibilità alla temperatura, infatti il coefficiente di temperatura negativo della giunzione base-emettitore del transistore T1 è di circa -1.6 mV/K e questo causa ampie variazioni della corrente con la temperatura, aspetto risolvibile ad esempio con il circuito “D”.
L'aggiunta di un diodo zener da 6.2V, Z1, in serie con l'emettitore di T1, aumenta la tensione di rilevamento (0,65+6,2V circa) Lo zener da 6.2V ha un coefficiente di temperatura leggermente positivo, che compensa quasi completamente quello negativo del transistor. Inoltre, ora, la tensione totale di controllo è molto più grande e così ad esempio, 100mV di variazione dovuta alla temperatura, non compromettono seriamente la regolazione.
In questo ultimo caso, il valore della resistenza di regolazione può essere calcolato come segue:
Dopo questa trattazione teorica vediamo qualche simulazione che meglio dia ragione dei progressivi miglioramenti di prestazione passando dal circuito “A” a quello “D”.
Nell'illustrazione n°4 sono messi a raffronto gli errori percentuali della corrente erogata rispetto alle nominali di 5/10/50mA al variare delle configurazioni e della tensione dello zener in prova.
E' lampante come il circuito “A” soffra molto le variazioni di carico specie quando servano correnti elevate a tensioni elevate con errori anche del 50-80% a tensioni Vz superiori ai 50V. Il “D” supera invece le prestazioni del “B” specialmente alle basse correnti (dove la compensazione della corrente di bias è più importante).
Vediamo nei grafici che seguono l'effetto sulla stabilizzazione della corrente in funzione della temperatura dell'introduzione dello zener da 6,2V.
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Izt=5mA Vzt=12V - rosso: configurazione “C”, blu la “D” |
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Izt=50mA Vzt=12V - rosso: configurazione “C”, blu la “D” |
La differenza è sostanziale! Tabulando i risultati ai limiti di -40°C e +120°C otteniamo:
| “C” min | “D” min | “C” max | “D” max |
5mA nominali | 3,6 | 4,74 | 6,3 | 5,04 |
50mA nominali | 34 | 45,9 | 61 | 48,7 |
Il miglioramento della stabilizzazione al variare della temperatura è quindi di circa dieci volte!
Dalla teoria alla pratica
Finita ora l'analisi teorica e le discussioni progettuali, passiamo alla fase realizzativa. Lo schema, completo di tutto, potrebbe diventare il seguente:
Note realizzative
Prima e più importante nota è che il circuito è alimentato a tensione di rete e può erogare correnti e tensioni potenzialmente fatali. Deve essere quindi compito primario di chi lo realizza renderlo un oggetto sicuro.
F1: fusibile di protezione, valore da calcolare in base alla potenza massima degli zener da testare e dei trasformatori impiegati, indicativamente un 100mA per i 5W
TR1&2: vista la difficoltà a reperire trasformatori di bassa potenza e costo con secondario di 60-70V, una idea è impiegarne una coppia con uscita duale 18+18V che in serie danno appunto 72V e sono facilmente disponibili sul mercato a prezzi modici. Ovviamente è possibile impiegare altri dispositivi senza superare i 70-100V. Potenza valutata come sopra, un 10VA per i 5W è adeguato.
GR1: ponte diodi, 1A e 400V o simili va più che bene
Light1: lampada spia a tensione di rete (230Vac)
T1, T2: occorrono dispositivi con HFE elevato a correnti di collettore particolarmente basse. Senza cercare dispositivi “esotici”, una buona soluzione è il BC108C come NPN e il BC557 per il PNP.
T3: ho usato un IRF640 per le sue buone caratteristiche, non ultima quella di averlo già nel cassetto. Molti altri dispositivi possono sostituirlo tenendo presente almeno 200VDS e 1A. In determinate circostanze di prova (bassa Vz e alta Iz) questo dispositivo si troverà a dissipare una potenza non trascurabile e andrà quindi dissipato adeguatamente. Con il progetto presentato sono 5W nel peggiore dei casi, un radiatore da 10-15°/W sarà sufficiente.
PB_NO1 e PB_NO2: pulsanti normalmente aperti. Montati in posizione opposta/lontana sul contenitore dello strumento obbligano l'operatore ad usare tutte e due le mani per attivare la misura e quindi a non “avere dita libere” per toccare lo zener sotto tensione durante il test.
SW1-A&B: selettore della corrente di test. Può essere realizzato in vari modi e quello presentato è solo uno suggerito e conveniente. Coi valori di resistenza R3, R4 R5 si ottengono circa 5, 10, 50mA. Fare attenzione nella scelta che il selettore durante la misura può salire alla tensione massima di alimentazione: evitare per questo ad esempio oggetti quali i comuni dip switch da circuito stampato (isolamento 30/50V) me sceglierne uno con tensione di esercizio adeguata. Il selettore inserisce anche una resistenza in parallelo al led posto in serie all'uscita in modo da non danneggiarlo alla massima corrente di test.
VM1: voltmetro digitale. Va bene il multimetro già disponibile se si vuole così come uno strumento dedicato. Prestare attenzione che il suo fondo scala ecceda la tensione a circuito aperto. D1, C2 e R6 provvedono alla sua alimentazione.
Pin1 e Pin2: morsettiera o simili per collegare lo zener in prova. Ad ognuno trovare la soluzione più comoda fermo restando la sua sicurezza.
Prove reali
Dopo tanta teoria, vediamo quali risultati sono raggiunti ed in che misura. La caratteristica più immediata da rilevare ed utile per la valutazione sono le curve di corrente al variare del carico. Vediamo nell'illustrazione seguente il risultato:
Le tre curve indicano la corrente in uscita dal generatore al variare del carico (e conseguentemente tensione ia capi) per i tre valori 5/10/50mA nominali previsti.
Alcune considerazioni:
Il calo della curva gialla oltre gli 85V di uscita è dovuto all'alimentatore che non eroga più la sufficiente potenza
La flessione di tutte le curve a bassa tensione di uscita è dovuta a due fattori: la minima corrente con cui lo zener di riferimento è alimentato ed il ridotto valore di HFE di T1 a correnti basse di collettore. Si può modificare un poco il comportamento variando R1 e R2, ottimizzando localmente il risultato.
Il risultato anche se non perfetto, è più che adeguato allo scopo dello strumento e questo senza complessità circuitali particolari. Passare da 0 a 100V in uscita con correnti stabili in rapporto 10:1 non è cosa banale! Se proprio servissero delle curve più piatte su un campo di tensione e corrente così elevato, occorre un approccio differente.
Usi alternativi
E se al posto di uno zener mettessimo una piccola lampadina al neon? Nessun problema, nella figura a fianco il risultato!
Lo strumento rimane assolutamente stabile e indica il valore di tensione di innesco del piccolo bulbo di segnalazione (65V). Stesso discorso vale per altri componenti quali ad esempio i Diac.
Conclusioni e note importanti
Il circuito qui presentato ben si presta a essere replicato in varie scale adattando opportunamente i componenti e non secondo, offre una buon servizio nell'identificare la tensione di funzionamento della maggior parte dei dispositivi zener (e non solo) solitamente disponibili nel laboratorio domestico.
Per concludere, a titolo di linea guida, nelle tabelle seguente sono riportate sia la corrente massima in funzione di tensione e potenza sia la corrente tipica di test consigliata di varie taglie di diodi zener.
Corrente massima di zener in funzione della potenza e tensione del dispositivo | Corrente di prova consigliata in funzione della tensione e potenza del dispositivo |
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Bibliografia
Datasheet BZX55-5V6
Datasheet BZX85-xxx
Foto d'apertura: commons.wikimedia.org/wiki/File:Clarence_Zener.jpg
Circuit achieves constant current over wide range of terminal voltages, Donald Boughton, Jr, International Rectifier, Orlando, FL; DesignIdeas di Martin Rowe & Fran Granville