La diode zener: calcul, dimensionnement

Une diode zener est utile pour créer une petite alimentation stabilisée à partir d'une tension plus élevée. Une résistance série est nécessaire et doit être dimensionnée en fonction du courant souhaité ainsi que de plage de la tension d'entrée (non régulée).

Cet article présente un exemple concret pour dimensionner un circuit stabilisateur de tension. Par exemple, il peut s'agir de l'alimentation d'un ampli op.

Calcul pour une diode zener et sa résistance série

On souhaite créer une tension stabilisée avec une diode zener. Voici ce qu'on souhaite

Courant de sortie : 0 à 20 mA

Tension de sortie Vs : 15 V

Tension d'entrée Ve (non régulée) : 25 V (Ve min) à 35 V (Ve max)

Ve fluctue entre 25 V et 35 V à cause de l'ondulation. On souhaite que sur cette plage de tension, la tension de sortie reste stable.

Donnée : Le courant minimum dans la zener Iz min est de 1 mA.

Comment dimensionner R et la diode zener ?

Valeur de R

Etant donné qu'on souhaite une tension de sortie égale à 15V, la diode zener doit être un modèle 15V. On choisit R la plus élevée possible pour minimiser la dissipation et la consommation sur l'entrée, mais en assurant que le circuit reste conforme au cahier des charges, c'est à dire que le courant dans la zener dépasse Izmin.

Le pire cas est atteint lorsque le courant de sortie est maximal et que Ve est minimale. On a alors :

Ve = Ve min = 25 V, is = 20 mA

D'où : ie = is + iz min = 21 mA

Ce courant de 21 mA traverse la résistance qui est alors soumise à une tension de Ve min - Vs = 25 V - 15 V = 10 V.

D'où : R = 10 V / 21 mA = 477 Ohms

On choisit immédiatement inférieure : R = 470 Ohms.

Puissance dissipée par la résistance

La plus grande dissipation est atteinte pour Ve maximale, peu importe le courant de sortie. La tension aux bornes de R vaut alors : Ve max - Vs = 35 V - 15 V = 20 V

Pr = (20V)² / 470 Ohms = 0,85 W

On choisit un modèle capable de dissiper au moins 1 W.

Puissance dissipée par la diode zener

La puissance maximale dissipée par la diode zener est atteinte pour un courant de sortie nul (tout le courant ie va dans la diode zener) et une tension d'entrée maximale.

Lorsque Ve = 35 V, ie = 20 V / 470 Ohms = 43 mA

La puissance, Pz, dissipée dans la zener vaut :

Pz = 43 mA x 15 V = 0,645 W

On choisit un modèle capable de dissiper 1,3 W.

Dimensionnement d'une diode zener et sa résistance

Voici l'essentiel à retenir :

Tension de zener : Vz = Vs.

Valeur maximale de R : R = (Vemin - Vs) / (ismax + Izmin)

Puissance max. dissipée dans la résistance : Pr = (Vemax - Vs)² / R

Puissance max. dissipée dans la zener : Pz = Vz.(Vemax - Vz) / R