Quando a tensão da entrada do regulador Zener aumenta, qual corrente permanece aproximadamente constante?

Passo 1

O que o enunciado pede: identificar qual corrente permanece aproximadamente constante quando a tensão de entrada de um regulador Zener aumenta.
Informações relevantes dadas (implicitamente, pelo contexto de um regulador Zener típico):
  • Existe uma fonte de tensão de entrada V_{in}.
  • Há um resistor série R_s ligado à entrada.
  • Após o resistor está um circuito com um diodo Zener em paralelo com a carga (resistor de carga R_L).
  • Definimos as correntes: I_R (corrente que passa por R_s), I_Z (corrente que passa pelo diodo Zener) e I_L (corrente que passa pela carga R_L).
  • A operação normal de regulação implica que o diodo Zener mantém uma tensão aproximadamente constante V_Z sobre si (e, portanto, sobre a carga), desde que esteja na região de avalanche/regulação.

Passo 2

Definições e fórmulas básicas (aulas rápidas sobre cada coisa usada):
  • O diodo Zener, quando polarizado no sentido inverso acima da sua tensão de Zener, tende a manter quase constante a tensão nos seus terminais. Essa tensão é \,V_Z, e é essa propriedade que usamos para regular.
  • A corrente pelo resistor série R_s é dada por uma lei de Ohm simples entre V_{in} e V_Z:
I_R = \frac{V_{in} - V_Z}{R_s}.
Aqui I_R é a corrente que sai da fonte e passa por R_s antes de se dividir.
  • A carga R_L tem a tensão \,V_Z sobre ela (porque está em paralelo com o Zener). Pela lei de Ohm, a corrente da carga é
I_L = \frac{V_Z}{R_L}.
Note que nessa expressão \,I_L depende de V_Z e de R_L, mas não depende diretamente de V_{in}.
  • Aplicando o balanço de correntes no nó após R_s (lei de Kirchhoff das correntes):
I_R = I_L + I_Z.
Ou seja, a corrente que vem pelo resistor série se divide entre a carga ( I_L) e o Zener ( I_Z).

Passo 3

Análise do efeito de aumentar V_{in}:
  • Aumentando V_{in}, a expressão \,I_R = \dfrac{V_{in}-V_Z}{R_s} aumenta, pois V_Z é (aproximadamente) constante enquanto o Zener estiver na região de regulação.
  • A corrente da carga \,I_L = \dfrac{V_Z}{R_L} permanece praticamente a mesma porque V_Z permanece praticamente constante (essa é a finalidade do Zener: manter a tensão da carga constante).
  • Portanto, o aumento em I_R precisa aparecer em I_Z (pelo balanço I_R = I_L + I_Z). Logo, ao aumentar V_{in} o que aumenta é principalmente I_Z, enquanto I_L permanece aproximadamente constante.
  • Intuição prática: o Zener “chupa” a corrente extra para manter a tensão da carga inalterada.

Passo 4

Exemplo numérico rápido para fixar (fazendo contas que você conseguiria na prova sem calculadora se os números forem simples):
Suponha \,V_Z=5\\ \text{V}, R_s=1{,}0\\ \text{k}\Omega e R_L=2{,}5\\ \text{k}\Omega.
  • A corrente de carga é
I_L=\frac{V_Z}{R_L}=\frac{5}{2500}=0{,}002\\ \text{A}=2\\ \text{mA}.
Note que esse valor não usa V_{in}.
  • Se V_{in}=12\\ \text{V},
I_R=\frac{12-5}{1000}=\frac{7}{1000}=7\\ \text{mA},
então
I_Z=I_R-I_L=7\\ \text{mA}-2\\ \text{mA}=5\\ \text{mA}.
  • Se V_{in} subir para 15\\ \text{V},
I_R=\frac{15-5}{1000}=\frac{10}{1000}=10\\ \text{mA},
então
I_Z=10\\ \text{mA}-2\\ \text{mA}=8\\ \text{mA}.
Repare que I_L continuou sendo 2\\ \text{mA} nos dois casos; quem mudou foi I_Z.
  • Observação de prova: isso vale enquanto o Zener estiver em regulação (isto é, V_{in} suficientemente alto para manter o Zener conduzindo) e enquanto I_Z ficar dentro dos limites de potência do diodo. Se V_{in} for muito baixo, o Zener sai da região de regulação e então V_Z e I_L já não são mantidos constantes.

Passo 5

Resumo final do raciocínio (como usar isso na prova):
  • Escreva as expressões \,I_R=\dfrac{V_{in}-V_Z}{R_s} e \,I_L=\dfrac{V_Z}{R_L}.
  • Observe que ao variar V_{in} apenas I_R muda diretamente; se V_Z permanece (aproximadamente) fixo, então I_L não muda.
  • Use a lei das correntes para concluir que a corrente zener absorve a variação: \,I_Z=I_R-I_L.
  • Conclusão prática rápida para resposta em prova: a corrente que permanece aproximadamente constante é a corrente da carga.

Resposta

A corrente através da carga, I_L.

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