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Diodes Zener comme référence de tension : leurs points forts et leurs limites

Pourquoi une diode peut servir de référence

Une diode au silicium classique conduit dans le sens direct et bloque en inverse, mais le claquage inverse est un régime différent. Une Zener est conçue pour claquer à une tension inverse précise ; au-delà de ce point, sa tension reste proche d'une valeur fixe même lorsque le courant qui la traverse varie. C'est cette zone plate qui la rend utile comme référence : vous la placez aux bornes d'une alimentation et obtenez une tension relativement stable pour alimenter un circuit.

Sur le banc, le montage habituel consiste en une résistance reliant l'alimentation à la cathode, la charge étant connectée en parallèle sur la Zener. La résistance absorbe ce que la Zener ne prend pas ; elle limite donc le courant et maintient la diode dans sa zone de claquage.

Exemple détaillé : 5.1 V à partir d'une alimentation de 9 V

Supposons que vous vouliez une référence d'environ 5.1 V à partir d'une alimentation 9 V, avec une Zener 5.1 V courante. Sa tension de claquage réelle varie d'un composant à l'autre et figure sous forme de tolérance dans la fiche technique ; considérez donc 5.1 V comme une valeur nominale. Visez environ 5 mA à travers la Zener. La résistance doit faire chuter 9 V moins 5.1 V, soit 3.9 V. En divisant 3.9 V par 5 mA, on obtient 780 ohms ; une résistance de 820 ohms, issue de la série normalisée suivante, est donc un choix judicieux.

Avec 820 ohms, le courant Zener à la tension nominale de 9 V d'entrée vaut environ 3.9 V divisé par 820 ohms, soit environ 4.8 mA. La Zener dissipe environ 5.1 V multipliés par 4.8 mA, soit près de 25 mW, ce qui reste largement dans la plage d'un composant typique de 0.5 W. Vérifiez maintenant le pire cas : si l'entrée monte à 10 V, le courant atteint environ 5.9 mA et la dissipation augmente avec lui, tout en restant confortablement dans les limites. Si vous ajoutez une charge qui tire, disons, 2 mA sur la référence, le courant Zener descend vers 2.8 mA. C'est là qu'il faut surveiller le genou inférieur de la Zener, car en dessous, la tension s'affaisse.

Où la tension dérive

Trois facteurs font varier la sortie. Premièrement, le courant Zener : comme le composant présente une résistance dynamique non nulle, sa tension se décale légèrement lorsque le courant change ; une alimentation instable ou une charge qui commute se répercutera donc sur votre référence. Deuxièmement, la température : le coefficient de température de la tension Zener dépend de sa tension nominale. Les Zener de basse tension, environ en dessous de 5 V, ont tendance à dériver négativement lorsqu'elles chauffent, tandis que les versions à haute tension dérivent plutôt positivement, et les composants situés vers le milieu de la plage présentent le comportement le plus plat. Troisièmement, le bruit : les Zener génèrent un bruit à large bande en claquage, audible sur un amplificateur à fort gain, et il peut être réduit par un condensateur placé aux bornes de la diode.

En pratique, une Zener vous offre une référence approximative et bon marché. Elle convient pour polariser un transistor, fixer le seuil d'un comparateur ou écrêter un signal, mais elle ne convient pas à une application exigeant une tension précise ou stable.

Savoir quand utiliser autre chose

Si vous avez besoin d'une référence qui conserve sa valeur quelle que soit la température et la charge, une Zener seule n'est pas le bon outil. Les références dédiées en shunt et en série, ainsi que les composants à bande interdite (bandgap), sont conçus pour cet usage et surpassent généralement une Zener de loin en dérive et en bruit. Une Zener ne peut pas non plus fournir beaucoup de courant à elle seule. La solution classique consiste à placer un amplificateur opérationnel monté en suiveur en tampon sur sa sortie, de sorte que la Zener ne voie que le faible courant absorbé par l'entrée du tampon.

Soyez réaliste aussi sur la précision. La tolérance de la tension de claquage d'une Zener peut atteindre plusieurs pourcents, si bien que deux rails de référence nominalement identiques sur des cartes différentes ne concorderont pas. Si votre mesure dépend de la tension exacte, étalonnez-la avec votre multimètre plutôt que de vous fier à la valeur nominale du composant.

Liste de contrôle pratique sur le banc

Avant de vous fier à un rail Zener, vérifiez quatre points : la résistance fournit assez de courant à la plus basse entrée et à la plus forte charge, la dissipation de la Zener reste sous sa puissance nominale, le bruit et l'ondulation sont filtrés là où votre circuit est sensible, et la sortie est tamponnée dès qu'une charge même légère en dépend. Passez-les en revue, et une Zener devient un élément fiable et peu coûteux de votre conception, plutôt qu'une source de mauvaises surprises.