LES DIODES ZENER

ou diodes stabilisatrices

 

 Selon la Méthode d'analyse, M. J.Neuenschwander                                                                             
 SYMBOLE*  Anode Cathode
 FONCTION* La fonction principale d'une diode zener est de maintenir une tension constante à ses bornes. Ce sont des diodes stabilisatrices de tension.
SPECIFICATIONS TYPES*
Puissance nominale PZ NOM. [W],
Tension inverse nominale UZ [V] et
Courant zener maximal IZ MAX. [A].
TECHNOLOGIE Toutes les diodes zener sont réalisées à l'aide de silicium. Les zener les plus courantes ont une PZ NOM. = 450mW
 UTILISATIONS
La grosse majorité des zener sont utilisées dans des circuits de commande à peu de consommation. Egalement comme circuit de limitation ou écrêtage.
METHODE DE CONTRÔLE*
Ohmiquement, on mesure uniquement l'état de la jonction PN (ouvert ou court-circuit).
Pour mesurer les valeurs principales de sa caractéristique tension-courant, il faut veiller à limiter les courants maximum admissibles.

Il n'est peut-être pas inutile de préciser ici qu'un bon praticien professionnel a besoin de connaître "par coeur" les indications suivies de l'astérisque * pour une pratique efficace du dépannage des circuits électroniques.

De la diode conventionnelle à la diode zener

Plus fortement dopée que les diodes conventionnelles, un champ électrique relativement faible devient déjà suffisamment intense pour que les liaisons de covalence s'affaiblissent et se rompent. Les porteurs de charges (des éléments de dopage) ainsi libérés sont assez nombreux pour que le courant augmente brutalement et pour que la tension aux bornes de la diode ne varie pratiquement pas. C’est ce qui est appelé l’effet zener.

Pour d’autres diodes zener, il est possible que sous l'action du champ électrique interne, les porteurs de charges minoritaires (du silicium) de la zone isolante acquièrent une énergie telle qu'il puisse y avoir ionisation par choc, et, par effet d'avalanche, le courant croît extrêmement vite. La tension aux bornes de la diode ne varie pratiquement pas non plus. C’est ce qui est appelé effet d’avalanche.

La caractéristique tension-courant IZ = f (UZ) d’une diode zener résume ces phénomènes :

Dans le sens direct :    (positif à l'anode)

La diode zener se comporte comme une diode conventionnelle.

UZ @ 0,6V et le courant maximum direct dépend du circuit externe à la diode.

Dans le sens inverse :    (positif à la cathode)

La diode présente une résistance très petite dès que la tension de claquage, ou tension zener, pour laquelle elle est construite est atteinte.

La diode est dans ce cas en conduction inverse, et il est impératif de limiter le courant par une résistance en série avec la diode, par exemple.

Dans ce cas, UZ @ UZ NOM.

Nous pouvons également établir la valeur de la résistance interne que la diode présente au circuit. Nous parlons de résistance interne dynamique, qui se calcule selon la formule ci-dessous et qui est de valeur généralement très petite :

Retenons encore que si la tension inverse redescend en dessous de la valeur zener, la diode se bloque à nouveau.

Valeurs pratiques des tensions zener

En pratique, pour les diodes dont la tension zener dépasse 10V, seul l'effet d'avalanche est possible. Ce qui à pour conséquence que la caractéristique de la diode est moins franche (la pente est plus grande), et le coefficient de température est positif.

Les diodes dont la tension zener est inférieure à 5V ont une jonction très mince et seul l'effet zener peut avoir lieu, ce qui entraîne que la caractéristique de la diode est très raide et, de plus, ces diodes ont un coefficient de température négatif.

Entre 5V et 10V, les deux effets peuvent se combiner, et la caractéristique est la plus raide ainsi que le coefficient de température qui peut être proche de zéro. Ce qui signifie que les diodes zener prévues pour un fonctionnement inverse compris entre 5V et 10V seront utilisées pour un fonctionnement très stable.

Selon l'extrait d'un data-book, nous constatons qu'il est possible de rencontrer divers symboles pour la diode zener. Nous retiendrons pour notre part le symbole normalisé CEI représenté ci-dessus.

 

Principales caractéristiques des diodes zener

Nous pouvons repérer le fonctionnement de la diode, avec ses limites, sur la courbe caractéristique IZ = f (UZ) de la diode zener.

Tout d'abord, nous avons vu que la valeur zener nominale UZ NOM. est donnée pour un courant zener nominal IZ NOM. .

Ensuite, la diode zener présente une valeur de résistance interne dynamique très faible dans la zone de fonctionnement. En d'autres termes, pour une petite variation de la tension DUZ, la diode modifie fortement le courant DIZ.

      DUZ
  RIZ =------------- @     0,1W à 1W
              DIZ

Enfin, en connaissant la puissance maximale que peut dissiper la diode, de part ses dimensions, nous pouvons calculer le courant zener maximal qui peut traverser la diode.

De la puissance maximale PZ MAX. nous tirons le courant zener maximum IZ MAX. .

De plus, il est possible de déterminer, comme pour les diodes conventionnelles, une valeur de résistance interne de la diode, soit de manière statique RIZ_STAT. , soit de manière dynamique RIZ_DYN. , en fonction des besoins.

Ce dernier point nous amène à considérer la diode zener selon la même technique d'approximation utilisée pour les diodes conventionnelles:

Diode zener idéale:

 

La diode zener est à considérer comme un générateur de tension fixe, à la valeur zener nominale, avec une résistance interne nulle.

 

 

Deuxième approximation:

 

La diode zener est considérée comme stabilisatrice de tension, mais avec une très légère variation de tension à ces bornes.

Sa résistance interne n'étant plus tout à fait nulle, la tension (inverse) aux bornes de la diode varie légèrement.

Plus le courant qui la traverse est grand, plus la tension (inverse) à ses bornes augmente très légèrement.

 

 

En technique de dépannage, il peut être suffisant de considérer la diode zener dans un circuit comme une diode zener idéale.

Par contre, dans la conception et le calcul de circuits électroniques, il est souvent nécessaire de prendre en compte la valeur de la résistance interne RIZ .

Principales utilisations

Les diodes zener sont utilisées principalement pour leur propriété de maintenir une tension constante à leurs bornes :

Les circuits de stabilisation de tension ou "régulateur zener"

Ces circuits permettent d'obtenir une tension de sortie constante malgré une variation de la consommation ou de la tension d'entrée.

Les circuits générateurs de tension de référence

Ces circuits permettent d'obtenir, à un endroit précis, une tension qui ne change pas et qui devient une tension de référence, car elle reste fixe malgré une variation de plusieurs phénomènes comme la température, la consommation de courant, ...

Voir les pages circuits électroniques du site pour y trouver des exemples d'applications.