Regulador Zener

Um regulador zener é um dos reguladores de tensão mais simples, composto por um resistor e um diodo zener. Este regulador, no entanto, possui uma grande desvantagem: o consumo é constante e não depende da corrente de carga. Veja na imagem abaixo o circuito regulador zener.

A tensão de saída deste regulador é igual a tensão zener VZ do diodo. A diferença entre a tensão de saída e a tensão de entrada do regulador é aplicada sobre o resistor R.

Para manter sua tensão zener nominal o diodo precisa de uma corrente de polarização mínima IZmin. Portanto a corrente no resistor R precisa ser a soma da corrente mínima de polarização do diodo e a corrente máxima da carga.

IRmin = IZmin + ILmax

Escolhemos R para que com a tensão de entrada mínima VIN = VINmin ele seja capaz de fornecer a corrente IRmin.

R < (VINmin – VZ) / IRmin

Para dimensionar a potência dos dois componentes precisamos da corrente máxima do resistor IRmax.

IRmax = (VINmin – VZ) / R

Para que os componentes não sejam degradados pelo calor, a potência nominal do resistor e do diodo zener precisam ser maior que a potência dissipada neles. A potência dissipada no resistor e a potência dissipada no diodo são dadas pelas equações abaixo.

PR = R * IR^2
PZ = VZ * IR

Para o dimensionamento de potência precisamos considerar o pior caso, ou seja, o caso que nos dá a maior potência dissipada nos componentes. Para o resistor a maior potência ocorre quando a tensão de entrada é máxima VIN = VINmax. Para o diodo a maior potência ocorre quando a tensão de entrada é máxima VIN = VINmax e a carga está desconectada IL = 0, que nos dá IZ = IR = IRmax.

PR > R * IRmax^2
PZ > VZ * IRmax

Exercício 1 (resolvido)

Projete um regulador zener de 5V para correntes de 0 a 100mA, com tensão de entrada de 12 a 15V. Forneça no mínimo 10mA de corrente de polarização para o diodo zener.

1) Para o regulador escolhemos um diodo zener 1N4733, com tensão zener 5,1V e potência 1W.
VZ = 5,1V
PZ = 1W

2) A corrente mínima do resistor precisa ser calculada.
IRmin = IZmin + ILmax
IRmin = 0,010 + 0,100
IRmin = 0,110A

3) A resistência precisa conduzir a corrente mínima quando aplicada a tensão mínima de entrada. Podemos escolher um resistor de 62Ω.
R < (VINmin – VZ) / IRmin
R < (12 – 5,1) / 0,110
R < 62,7Ω
R = 62Ω

4) A corrente máxima no resistor é calculada com tensão máxima na entrada.
IRmax = (VINmax – VZ) / R
IRmax = (15 – 5) / 62
IRmax = 0,161A

5) A potência nominal do resistor precisa ser maior que a potência máxima dissipada nele. Podemos escolher um resistor de 62Ω/2W.
PR > R * IRmax^2
PR > 62 * 0,161^2
PR > 1,61W
PR = 2W

6) A potência nominal do diodo precisa ser maior que a potência máxima dissipada nele. O diodo 1N4733 possui potência nominal de 1W. Portanto, podemos utilizar ele neste regulador.
PZ > VZ * IRmax
PZ > 5,1 * 0,161
PZ > 0.821W

Exercício 2

Nosso projeto possui uma fonte de alimentação regulada de 5V ±10%. Mas precisamos também alimentar um circuito integrado que precisa ser alimentado de 3 a 3,6V. O consumo deste circuito varia entre 10 e 120mA. Projete um regulador zener para alimentar este circuito.

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