Cependant, la dioden Zener ou « diode de défaillance », comme on les appelle parfois, sont fondamentalement les mêmes que la diode standard à jonction PN, sauf qu’elles sont spécialement conçues pour avoir une tension de défaillance inverse faible et spécifiée qui exploite toute tension inverse qui lui est appliquée.

Dans la direction polarisée directement, c’est-à-dire lorsque l’anode est plus positive par rapport à sa cathode, une dioden Zener se comporte comme une diode de jonction normale lorsque la tension directe V_F à travers la diode dépasse 0,7 volts (silicium), ce qui provoque la conduction de la diode Zener.

Le courant direct circulant à travers la diode en conduction est à son maximum, déterminé uniquement par la charge connectée. Ainsi, dans la direction de polarisation directe, la Zener se comporte comme une diode classique dans ses limites de courant et/ou de puissance spécifiées, et par conséquent, les caractéristiques directes d’une diode Zener sont généralement sans intérêt.

Cependant, contrairement à une diode conventionnelle qui bloque tout flux de courant lorsqu’elle est polarisée en inverse, c’est-à-dire lorsque la cathode devient plus positive que l’anode, dès que la tension inverse atteint une valeur prédéterminée, la diode Zener commence à conduire dans la direction inverse.

Étant donné qu’une diode Zener est conçue pour fonctionner dans la région de défaillance inverse de sa courbe caractéristique, elle a une tension de défaillance fixe, une valeur V_Z qui est déterminée lors de sa fabrication. À mesure que la tension inverse à travers la diode Zener augmente de 0 volt à sa tension de défaillance Zener, un petit courant inverse ou un courant de fuite circulera à travers la diode, lequel reste relativement constant à mesure que la tension inverse augmente.

Une fois que la tension inverse appliquée à la diode Zener dépasse la tension nominale de l’appareil, un processus appelé baisse Zener se produit dans la couche d’appauvrissement du semi-conducteur et un courant commence à circuler à travers la diode pour limiter cette augmentation de tension.

Le courant qui circule maintenant à travers la diode Zener augmente dramatiquement jusqu’à sa valeur maximale de circuit (qui est généralement limitée par une résistance en série). Une fois que la défaillance Zener se produit, la chute de tension à travers la diode reste relativement constante même si le courant Zener, I_Z à travers elle peut varier considérablement. Le point de tension à partir duquel la tension à travers la diode Zener devient stable est appelé « tension Zener », (V_Z). Pour les diodes Zener, cette valeur de tension de défaillance peut varier de quelques volts à quelques centaines de volts.

Le point auquel la tension Zener déclenche le courant à circuler à travers la diode peut être contrôlé très précisément (à moins de 1 % de tolérance) lors de la phase de dopage de la construction semi-conductrice des diodes, donnant à la diode une tension de défaillance Zener, ( V_Z ), par exemple, 4,3V ou 7,5V. Cette tension de défaillance Zener sur la courbe I-V est presque une ligne droite verticale.

Caractéristiques I-V de la diode Zener

La dioden Zener est utilisée en mode « polarisation inverse » ou reverse breakdown, c’est-à-dire que l’anode de la diode se connecte à l’alimentation négative. D’après la courbe de caractéristiques I-V ci-dessus, nous pouvons voir que la diode Zener possède une région dans ses caractéristiques de polarisation inverse d’une tension négative presque constante, quelle que soit la valeur du courant circulant à travers la diode.

Cette tension reste presque constante même avec de grands changements de courant, à condition que le courant de la diode Zener demeure compris entre le courant de défaillance I_Z(min) et sa valeur maximale de courant I_Z(max).

Cette capacité de la diode Zener à se contrôler elle-même peut être utilisée efficacement pour réguler ou stabiliser une source de tension contre les variations d’alimentation ou de charge. Le fait que la tension à travers la diode dans la région de défaillance soit presque constante s’avère être une caractéristique importante de la diode Zener, car elle peut être utilisée dans les applications de régulateurs de tension les plus simples.

La fonction d’un régulateur de tension est de fournir une tension de sortie constante à une charge connectée en parallèle avec elle, en dépit des ondulations dans la tension d’alimentation ou des variations dans le courant de charge. Une diode Zener continuera à réguler sa tension jusqu’à ce que le courant de maintien de la diode tombe en dessous de la valeur minimale I_Z(min) dans la région de défaillance inverse.

Le régulateur de diode Zener

Les diodes Zener peuvent être utilisées pour produire une sortie de tension stabilisée avec peu d’ondulation dans des conditions de courant de charge variables. En faisant passer un petit courant à travers la diode depuis une source de tension, via une résistance de limitation de courant appropriée (R_S), la diode Zener conduira suffisamment de courant pour maintenir une chute de tension de Vout.

Nous nous souvenons des tutoriels précédents que la tension de sortie DC des redresseurs demi-onde ou pleine onde contient une ondulation superposée à la tension DC et qu’à mesure que la valeur de charge change, la tension de sortie moyenne change également. En connectant un simple circuit stabilisateur Zener comme montré ci-dessous à la sortie du redresseur, une tension de sortie plus stable peut être produite.

Régulateur de diode Zener

La résistance R_S est connectée en série avec la diode Zener pour limiter le flux de courant à travers la diode, la source de tension V_S étant connectée à travers la combinaison. La tension de sortie stabilisée V_out est prise à travers la diode Zener.

La diode Zener est connectée avec son terminal cathodique connecté au rail positif de l’alimentation DC afin qu’elle soit polarisée en inverse et fonctionne dans sa condition de défaillance. La résistance R_S est choisie pour limiter le courant maximum circulant dans le circuit.

Sans charge connectée au circuit, le courant de charge sera nul, ( I_L = 0 ), et tout le courant du circuit passe par la diode Zener qui à son tour dissipe sa puissance maximale.

De plus, une petite valeur de la résistance en série R_S entraînera un courant de diode plus élevé lorsque la résistance de charge R_L est connectée et grande, car cela augmentera les exigences de dissipation de puissance de la diode, il est donc important de choisir la valeur appropriée de résistance en série afin que la puissance maximale de la Zener ne soit pas dépassée dans cette condition sans charge ou à haute impédance.

La charge est connectée en parallèle avec la diode Zener, donc la tension à travers R_L est toujours la même que la tension Zener, ( V_R = V_Z ).

Il existe un courant Zener minimum pour lequel la stabilisation de la tension est efficace, et le courant Zener doit rester au-dessus de cette valeur en fonctionnement sous charge dans sa région de défaillance à tout moment. La limite supérieure du courant dépend bien sûr de la puissance nominale de l’appareil. La tension d’alimentation V_S doit être supérieure à V_Z.

Un petit problème avec les circuits stabilisateurs de diodes Zener est que la diode peut parfois générer du bruit électrique en plus de l’alimentation CC lorsqu’elle essaie de stabiliser la tension. Normalement, cela ne pose pas de problème pour la plupart des applications, mais l’ajout d’un grand condensateur de découplage à la sortie du Zener peut être nécessaire pour fournir un lissage supplémentaire.

En résumé, une diode Zener est toujours opérée dans sa condition de polarisation inverse. Ainsi, un circuit simple de régulateur de tension peut être conçu en utilisant une diode Zener pour maintenir une tension de sortie CC constante à travers la charge, en dépit des variations de la tension d’entrée ou des changements dans le courant de charge.

Le régulateur de tension Zener consiste en une résistance de limitation de courant R_S connectée en série avec la tension d’entrée V_S, la diode Zener étant connectée en parallèle avec la charge R_L dans cette condition de polarisation inverse. La tension de sortie stabilisée est toujours choisie pour être la même que la tension de défaillance V_Z de la diode.

Exemple de tutoriel No1

Un approvisionnement en puissance stabilisé de 5,0V doit être produit à partir d’une source d’entrée de 12V CC. La puissance maximale P_Z de la diode Zener est de 2W. En utilisant le circuit régulateur Zener ci-dessus, calculez :

a). Le courant maximum circulant à travers la diode Zener.

b). La valeur minimale de la résistance en série, R_S

c). Le courant de charge I_L si une résistance de charge de 1kΩ est connectée à travers la diode Zener.

d). Le courant Zener I_Z à pleine charge.

Tensions de diodes Zener

En plus de produire une seule sortie de tension stabilisée, les diodes Zener peuvent également être connectées ensemble en série avec des diodes de signal en silicium normales pour produire une variété de valeurs de tensions de référence de sortie différentes, comme illustré ci-dessous.

Diodes Zener connectées en série

Les valeurs des diodes Zener individuelles peuvent être choisies pour convenir à l’application, tandis que la diode en silicium fera toujours chuter environ 0,6 à 0,7V en condition de polarisation directe. La tension d’alimentation, Vin doit bien sûr être supérieure à la plus grande tension de référence de sortie, et dans notre exemple ci-dessus, celle-ci est de 19V.

Une diode Zener typique pour des circuits électroniques généraux est la série 500mW, BZX55 ou encore la série 1.3W, BZX85 où la tension Zener est donnée par exemple, C7V5 pour une diode de 7,5V, ce qui donne un numéro de référence de diode BZX55C7V5.

La série 500mW de diodes Zener est disponible de 2,4 à environ 100 volts et comprend typiquement la même séquence de valeurs que celle utilisée pour les séries de résistances de 5 % (E24), les notations de tension individuelles pour ces petites mais très utiles diodes sont données dans le tableau ci-dessous.

Tensions standard des diodes Zener

Circuits de coupe Zener

Jusqu’à présent, nous avons examiné comment une diode Zener peut être utilisée pour réguler une source CC constante, mais que se passerait-il si le signal d’entrée n’était pas en CC à état stable mais plutôt un signal alternatif AC ? Comment la diode Zener réagirait-elle à un signal constamment changeant ?

Les circuits de découpage et de clamping de diodes sont des circuits utilisés pour façonner ou modifier une forme d’onde d’entrée AC (ou toute sinusoïde) produisant une forme d’onde de sortie différente selon l’agencement du circuit. Les circuits de découpe de diodes sont également appelés limiteurs car ils limitent ou coupent la partie positive (ou négative) d’un signal AC d’entrée. Comme les circuits de découpe Zener limitent ou coupent une partie de la forme d’onde qui les traversent, ils sont principalement utilisés pour la protection de circuits ou dans les circuits de mise en forme d’onde.

Par exemple, si nous voulons découper une forme d’onde de sortie à +7,5V, nous utiliserions une diode Zener de 7,5V. Si la forme d’onde de sortie tente de dépasser la limite de 7,5V, la diode « coupera » l’excès de tension de l’entrée produisant une forme d’onde avec un sommet plat tout en maintenant la sortie constante à +7,5V.

Notez que dans la condition de polarisation directe, une diode Zener reste une diode, et lorsque la forme d’onde de sortie AC devient négative en dessous de -0,7V, la diode Zener s’active comme le ferait n’importe quelle diode en silicium normale et découpe la sortie à -0,7V comme montré ci-dessous.

Signal en onde carrée

Les diodes Zener connectées dos à dos peuvent être utilisées comme un régulateur AC produisant ce que l’on appelle plaisamment un « générateur de forme d’onde carrée pour les pauvres ». En utilisant cet agencement, nous pouvons couper la forme d’onde entre une valeur positive de +8.2V et une valeur négative de -8.2V pour une diode Zener de 7.5V.