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La diode zener est très similaire à la diode standard. Tout comme la diode standard, la diode zener doit avoir une tension supérieure à la tension seuil (forward voltage) fournie par la fiche technique. Là où la diode zener se différencie de la diode standard, c'est lorsqu'on l'utilise en inverse.
En inverse, la diode standard bloque absolument tout le passage du courant jusqu'à une limite qu'on appelle la tension maximale en inverse (maximum reverse voltage). La diode zener va avoir une tension très précise en inverse. Par exemple, pour la diode zener 1N4733A, la tension zener est de 5.1V. Ainsi, lorsqu'on atteind cette tension zener et même supérieur à cette tension, la diode va conserver uniquement la tension zener à ses bornes. Par exemple, si on branche un signal de 12V parallèlement à la diode zener 1N4733A, à la sortie, il va y avoir seulement 5.1V. Par contre, pour avoir un tel résultat, il faut respecter d'autres caractéristiques de la diode afin de ne pas l'endommager.
Une caractéristique importante de la diode zener à prendre en compte est la puissance maximale supportée par la diode. Par exemple, la diode 1N4733A peut supporter jusqu'à 1W et ce sera une donnée utile pour nos calculs. Il sera aussi important de savoir la tension zener (Vz) de la diode puisque cette tension varie d'un modèle à l'autre. Le courant de test que l'on retrouve sur les fiches techniques est calculé à environ 25% de la puissance maximale de la diode tandis que le courant maximum (Izm) est calculé à 90% de la puissance maximale.
Lorsqu'on utilise une diode zener, il est recommandé de l'utiliser entre 10% et 90% de sa puissance maximale afin d'avoir de bons résultats. Par exemple, nous voulons trouver la résistance (R) dans ce circuit sachant que la charge consomme 100mA et que le circuit est alimenté sous 12V. La diode utilisée est la 1N4733A, dont la tension zener est de 5.1V et la puissance maximale est de 1W.
Tout d'abord, il faut trouver les extrêmes de fonctionnement de la diode zener (10% et 90%). 10% de la puissance maximale (1 Watt) correspond à 100 mW et 90% de la puissance maximale (1 Watt) correspond à 900 mW. Pour trouver le courant pour chacun de ces extrêmes, il suffit de faire 100 mW divisé par 5.1V ce qui nous donne 19.6 mA et 900 mW divisé par 5.1V ce qui nous donne 176.5 mA. En prenant le courant minimal de 19.6 mA nous serons certain que le circuit va bien fonctionner et que la diode ne dissipera pas trop de chaleur sans raison. Finalement pour trouver la résistance (R), il suffit de faire 12V-5.1V pour trouver la différence de potentielle au borne de la résistance et de divisé cette valeur par 119.6 mA (le courant traversant la diode zener + le courant de la charge). Au final, nous obtenons une résistance de 57.69 Ohms. Évidement, cette valeur de résistance n'existe pas, par contre, comme nous utilisons uniquement 10% de la puissance de la diode, on peut se permettre d'aller chercher une résistance de 40 Ohms par exemple. Ainsi, le courant traversant la diode correspondrait à 37% de la puissance de cette même diode.
Une application très connue de la diode zener est de l'utilisée comme référence. En effet, comme la diode nous offre une tension stable lorsque le courant est assez élevé, la diode zener est souvent utilisée pour donner une tension de référence très stable pour des appareils de mesures tel qu'un voltmètre ou pour une alimentation. Le meilleur exemple d'application pour la diode zener comme tension de référence est sans doute pour les convertisseurs analogiques / numériques. Ces convertisseurs offrent parfois la possibilité de mettre une tension de référence externe afin d'avoir une plus grande précision. Ainsi, en utilisant la diode zener, celle-ci permet d'avoir une tension ultrastable (puisque le courant varie très peu) comme tension de référence pour les circuits de précision.
Une seconde application est la protection contre les surtensions. Similaire à la diode standard, on peut éliminer les surtensions sur un signal avec une diode zener. En mettant la diode parallèlement au signal, si une surtension survient, la tension qui est surérieure à la tension zener sera rejetée à la masse.