Generalità

I diodi sono componenti molto usati in elettronica. In polarizzazione diretta, il diodo classico permette il passaggio della corrente quando la tensione ai suoi capi supera un valore di soglia che è di circa 0,5 V per il silicio.
Se polarizzato inversamente, il diodo presenta una resistenza altissima e non consente passaggio di corrente, fino ad una certa tensione oltre la quale il forte campo elettrico generato dalla d.d.p. applicata ai capi del diodo determina un effetto a valanga che porta al breakdown, ovvero alla rottura, della giunzione.
Esistono tuttavia dei diodi progettati appositamente per lavorare in zona di breakdown; si tratta dei diodi zener. A differenza dei diodi comuni, che lavorano in polarizzazione diretta, i diodi zener vengono utilizzati facendoli lavorare in polarizzazione inversa.
Un diodo zener è caratterizzato da una propria tensione di breakdown, Vz, a cui il diodo entra in conduzione, ma tale fenomeno è ripetitivo e non determina la distruzione del dispositivo.
Variando opportunamente il drogaggio del materiale, è possibile determinare con buona precisione la tensione di breakdown di un diodo; questo valore caratteristico viene quindi utilizzato per creare nei ciruiti una tensione di riferimento.

Caratteristiche del diodo zener

Ma prima di proseguire è opportuno soffermarsi brevemente sulle curve caratteristiche dei diodi. Con riferimento alla figura 2 osserviamo che un diodo zener, essendo polarizzato con tensione inversa, si trova a lavorare nella zona di sinistra, ovvero dove i valori di tensione sono negativi; aumentando la tensione si arriva al valore V_ZK detto "tensione di ginocchio", ed è appunto in corrispondenza di tale valore che la corrente inversa comincia a scorrere nel diodo, con caratteristica quasi verticale.
Se la caratteristica fosse esattamente verticale, il diodo avrebbe un comportamento ideale, nel senso che, per qualunque valore di corrente, la tensione avrebbe costantemente il valore V_Z. Nel diodo reale si osserva invece una variazione di V_Z, che indicheremo con ΔV_Z, in conseguenza delle variazioni ΔI_Z della corrente che attraversa il diodo. Il rapporto ΔV_Z / ΔI_Z assume il nome di resistenza differenziale o dinamica; la qualità di un diodo zener è tanto migliore quanto più basso è il valore di tale resistenza.

Il circuito classico che permette di sfruttare le caratteristiche di un diodo zener è quello di figura 3. Il buon funzionamento del circuito dipende dalla scelta del valore di Rz; tale valore determina l'entità della corrente che scorrerà nel diodo, e quindi il suo punto di lavoro relativamente alla caratteristica riportata in figura 2.
1) Se RZ ha un valore troppo alto, la corrente che attraversa il diodo non è sufficiente a farlo lavorare nella zona quasi verticale della caratteristica (tratto in rosso della curva di figura 2)
2) Se RZ ha un valore troppo basso, il diodo viene attraversato da una corrente eccessiva che, oltre a poterlo distruggere, ne causa comunque il surriscaldamento; l'aumento della temperatura fa variare la tensione caratteristica per cui il diodo è stato progettato

Considerazioni pratiche

Nel circuito di figura 3 la tensione di uscita Vout risulta applicata ad un carico, rappresentato dalla resistenza Rc. Il valore di Rc, e soprattutto sue eventuali variazioni, risultano determinanti ai fini della stabilità della tensione regolata tramite diodo zener. Sarebbe buona regola utilizzare questo metodo di regolazione limitatamente ai casi in cui l'assorbimento di corrente in uscita sia minimo; è quanto accade, per esempio, per la tensione di riferimento usata negli amplificatori operazionali, in cui la corrente richiesta è quasi pari a zero.
Nel caso in cui il carico richieda correnti importanti, dell'ordine delle centinaia di milliampere, diventerebbe necessario utilizzare un diodo zener di notevole potenza; risulta allora opportuno ricorrere ad un transistor che, inserito in serie all'utilizzatore, venga controllato in base con la tensione di riferimento generata dal diodo.

Come calcolare la resistenza Rz

Per il calcolo della resistenza Rz è sufficiente analizzare le correnti che passano nel circuito di figura 3. In entrata è presente una corrente It che, dopo aver attraversato la resistenza Rz, si divide nelle due correnti Iz, che scorre nel diodo zener, e Ic che scorre nel carico presente in uscita.
La corrente Iz che permette al diodo di funzionare in modo ottimale andrebbe ricavata dal relativo datasheet; ma anche non disponendo di tale documento è possibile determinare la corrente di lavoro ideale con un semplice calcolo.
Conoscendo la potenza P del diodo e la sua tensione nominale Vz, la massima corrente ammissibile sarà I = P / V
Per un funzionamento ottimale dello zener, è opportuno mantenere la corrente di lavoro Iz a un massimo di 0,7 della corrente I; ancora meglio sarebbe mantenersi entro un 20 o 30% del valore massimo, sia per non consumare corrente inutilmente, sia per mantenere le temperatura del diodo entro limiti ragionevoli.
Come esempio, per un diodo zener da 500mW, avente tensione nominale di 5,1V, la corrente di lavoro consigliabile sarebbe:

Iz = P / Vz x 0,25 = 0,024 A = 24 mA

Determinata la corrente Iz, la corrente che scorre nel carico sarà naturalmente Ic = Vz / Rc
Il calcolo di Rz diventa allora:

Rz = (V_IN-V_OUT)/(Iz+I_C).
oppure:
Rz = (V_IN-V_OUT)/(Iz+V_OUT/Rc).
(ovviamente V_OUT coincide con la tensione nominale Vz del diodo zener)

Calcolare la resistenza dinamica di un diodo zener

Calcolare la resistenza dinamica di un diodo zener è abbastanza facile. Si parte dalla tensione Vs di un alimentatore regolabile e, attraverso una resistenza Rt di valore adeguato, si fa passare nel diodo una corrente I_Z1 pari a circa il 20% della massima corrente di lavoro. In queste condizioni si legge il valore della tensione V_Z1 ai capi del diodo. Si aumenta poi la corrente, per esempio di 10 mA (chiameremo I_Z2 questo nuovo valore) e si legge la nuova tensione V_Z2 ai capi del diodo. La resistenza dinamica sarà Z_D = (V_Z2-V_Z1) / (I_Z2-I_Z1)
Come esempio possiamo sottoporre a questo test un diodo BZX79-C5V1 da 500 mW:
con una corrente Iz di 5 mA otteniamo V_Z1=5,08
con una corrente Iz di 15 mA otteniamo V_Z2=5,22
La resistenza differenziale sarà allora Zd = (5,22-5,08)/(0,015-0,005)= 14 ohm

Come ottenere una migliore stabilizzazione della tensione

Da quanto si è visto, risulta evidente che la tensione ai capi di un diodo zener presenta comunque delle variazioni, anche se contenute, quando varia la tensione in entrata. Volendo ottenere una tensione meglio stabilizzata è possibile contenere le variazioni in entrata usando due diodi in cascata. Come illustrato nella figura 5, le variazioni della tensione V_IN vengono prima limitate dal diodo DZ1; la tensione a valle di tale diodo viene poi stabilizzata ulteriormente da DZ2, che in tal modo si trova ad operare con una tensione di entrata già notevolmente stabile. L'inconveniente è che occorre partire da una tensione iniziale molto maggiore di quella che si ottiene in uscita.