Regulador com diodo Zener para obter 3.3 V

Referência rápida:

• https://www.tmatlantic.com/encyclopedia/index.php?ELEMENT_ID=54204

1) Contexto e ponto crítico: Vin = 3.3 V

Um regulador “Zener + resistor” é um regulador shunt:

• R em série limita corrente.
• O Zener “puxa” corrente para manter a tensão no nó próximo de VZ.

Isso só funciona se houver folga de tensão no resistor:

• Se Vin = 3.3 V e você quer Vout = 3.3 V, então Vin - Vout ≈ 0 V.
• Com 0 V no resistor, não há corrente “sobrando” para alimentar a carga e manter IZ no Zener.

Portanto:

• Com Vin = 3.3 V, Zener NÃO regula. A saída ficará <= Vin e ainda pode cair por causa de resistências e dinâmica de carga.
• Zener só faz sentido aqui se Vin for maior que 3.3 V por uma margem (ex.: 5 V, 12 V, etc.).

Se sua alimentação pode ser 3.3 V (igual ao alvo), o correto é:

• não usar Zener como regulador, e sim garantir uma fonte 3.3 V estável (LDO/buck) ou aceitar que Vout ≈ Vin.

2) Dados de corrente do STM32G484 (ordem de grandeza)

No datasheet do STM32G484CE (tabelas de “Typical current consumption in Run and Low-power run modes”), valores típicos indicados incluem:

• Run ~150 MHz (Range 1, PLL ON): IDD ≈ 17.5 mA (típico, dependendo do código/atividade).
• Run ~26 MHz: IDD ≈ 2.65 mA (típico, dependendo do código/atividade).
• Low-power run ~2 MHz: IDD ≈ 825 µA (típico, dependendo do código/atividade).

Importante:

• Esses números variam com clock, periféricos, GPIOs, carga externa, temperatura e VDD.
• Para dimensionar, você deve usar um Iload_max que represente o pior caso do seu firmware + periféricos alimentados em 3.3 V.

Para este tutorial, vou assumir um exemplo conservador para o “consumo do nó 3.3 V”:

• Iload_max = 25 mA (MCU em alta performance + alguma margem)

Ajuste esse número para a sua realidade.

3) Escolha do Zener (3.3 V)

Escolha um Zener nominal VZ ≈ 3.3 V (ex.: BZX55C3V3, BZT52C3V3, etc.).

Atenção às diferenças:

• VZ depende da corrente IZ (é especificado em uma corrente de teste IZT).
• Tolerância (ex.: 2%, 5%) e coeficiente de temperatura importam.
• Em IZ muito baixo, o Zener pode ficar “mole” (regulação ruim).

Para um regulador shunt simples, normalmente você escolhe uma corrente mínima de Zener para manter a regulação aceitável, por exemplo:

• IZ_min entre 2 mA e 5 mA (depende do diodo escolhido e da qualidade de regulação desejada)

Neste tutorial vou usar:

• IZ_min = 5 mA

4) Cálculo do resistor série (R)

Fórmula base

A corrente no resistor é:

IR = (Vin - Vout) / R

E ela se divide em:

IR = Iload + IZ

Para garantir regulação no pior caso (carga máxima), queremos:

IZ >= IZ_min quando Iload = Iload_max.

Então, no pior caso:

IR_min_needed = Iload_max + IZ_min

Logo:

R_max = (Vin_min - Vout) / (Iload_max + IZ_min)

Você escolhe R <= R_max.

Exemplo 1: Vin_min = 5.0 V

Dados:

• Vin_min = 5.0 V
• Vout ≈ VZ = 3.3 V
• Iload_max = 25 mA
• IZ_min = 5 mA

Corrente mínima necessária no resistor:

• IR = 25 mA + 5 mA = 30 mA

Queda no resistor:

• Vr = 5.0 - 3.3 = 1.7 V

Resistência máxima:

• R_max = 1.7 V / 0.03 A ≈ 56.7 ohms

Escolha comercial típica:

• R = 56 ohms (E24)

Verificação rápida (com R=56 ohms):

• IR = 1.7/56 ≈ 30.4 mA
• Com Iload=25 mA, sobra IZ ≈ 5.4 mA (ok)

Exemplo 2: Vin_min = 3.6 V (margem pequena)

Se Vin_min = 3.6 V:

• Vr = 3.6 - 3.3 = 0.3 V
• Para IR=30 mA: R_max = 0.3/0.03 = 10 ohms

Aqui fica claro o problema: com folga pequena, o resistor precisa ser muito baixo, e o circuito passa a ser:

• muito sensível a variações,
• com dissipação considerável,
• e com regulação ruim (porque IZ fica “no limite”).

5) Checagem de corrente máxima (carga mínima)

O pior caso para o Zener (dissipação) costuma ser quando a carga consome pouco:

• Iload_min pequeno (ex.: MCU em reset, sleep, ou desconectado)
• Vin_max alto

Nesse caso:

• IZ_max ≈ IR (quase toda corrente vai para o Zener)

Fórmula:

• IR_max = (Vin_max - Vout) / R
• IZ_max ≈ IR_max - Iload_min

6) Potência no resistor e no Zener

Potência no resistor

• PR = (Vin - Vout) * IR (ou PR = IR^2 * R)

Potência no Zener

• PZ = Vout * IZ

Exemplo com Vin = 5.5 V, R = 56 ohms, carga mínima ~0 mA

• IR = (5.5 - 3.3)/56 = 2.2/56 ≈ 39.3 mA
• IZ ≈ 39.3 mA
• PR = 2.2 V * 39.3 mA ≈ 86 mW
• PZ = 3.3 V * 39.3 mA ≈ 130 mW

Seleção de componentes:

• Resistor: use pelo menos 1/4 W para margem térmica confortável.
• Zener: escolha pelo menos 500 mW se houver chance de Vin_max maior, ambiente quente, ou carga frequentemente baixa.

7) Conclusões e recomendações

• Se Vin pode ser 3.3 V, o Zener não é regulador: ele não tem “headroom” para funcionar.
• Para Vin > 3.3 V, dá para dimensionar com:
  • R garantindo IZ_min no pior caso de carga.
  • checagem de IZ_max e potências no pior caso de Vin_max e carga mínima.
• Para alimentar um MCU, normalmente é melhor usar:
  • LDO 3.3 V (se Vin for 5 V e corrente moderada), ou
  • buck 3.3 V (se Vin for bem maior ou eficiência for importante).