Diodo Zener (resumen)

El diodo zener basa su funcionamiento en el efecto zener, de ahí su nombre. Recordaremos que, en polarización inversa y alcanzada esta zona, a pequeños aumentos de tensión corresponden grandes aumentos de corriente.

Este componente es capaz de trabajar en dicha región cuando las condiciones de polarización lo determinen y una vez hayan desaparecido éstas, recupera sus propiedades como diodo normal, no llegando por este fenómeno a su destrucción salvo que se alcance la corriente máxima de zener Imáx indicada por el fabricante.

Lógicamente la geometría de construcción es diferente al resto de los diodos, estribando su principal diferencia en la delgadez de la zona de unión entre los materiales tipo P y tipo N, así como de la densidad de dopado de los cristales básicos.

Sus parámetros principales son:

Comportamiento del Zener

Existe otro tipo de diodo, el llamado diodo Zener, cuyas características en polarización directa son análogas a las del diodo de unión estudiado en la práctica anterior (figura 2 a), pero que en polarización inversa se comporta de manera distinta (figura 2 b), lo que le permite tener una serie de aplicaciones que no poseía el anterior.

El símbolo circuital se muestra en la figura 1 y su característica tensión-corriente en la figura de abajo

Cuando el diodo esta polarizado inversamente, una pequeña corriente circula por él, llamada corriente de saturación IS, esta corriente permanece relativamente constante mientras aumentamos la tensión inversa hasta que el valor de ésta alcanza VZ, llamada tensión Zener (que no es la tensión de ruptura zener), para la cual el diodo entra en la región de colapso. La corriente empieza a incrementarse rápidamente por el efecto avalancha.

En esta región pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de corriente. El diodo zener mantiene la tensión prácticamente constante entre sus extremos para un amplio rango de corriente inversa.

Obviamente, hay un drástico cambio de la resistencia efectiva de la unión PN.

Funcionamiento

. EL ZENER COMO COMPONENTE

• Como ha quedado expuesto, el diodo zener esta ideado para trabajar con polarización inversa, careciendo de interés su funcionamiento en polarización directa, que es igual al de cualquier diodo semiconductor.

La siguiente figura corresponde a su característica tensión-corriente, y en ella nos apoyaremos para estudiar su funcionamiento.

Cuando el zener está polarizado inversamente con pequeños valores de tensión se alcanza la corriente inversa de saturación prácticamente estable y de magnitudes despreciables a efectos prácticos.

Si sigue aumentando la tensión de codo o de giro, donde los aumentos de corriente son considerables frente a los aumentos de tensión (apréciese en torno a esta tensión la curvatura de la grafica). Sobrepasada esta zona a pequeños incrementos de tensión corresponden aumentos elevados de la corriente Iz.

Alcanzada la circunstancia anterior, nos encontraremos en la región de trabajo efectivo del zener. Debemos hacer ciertas consideraciones en este momento.

• 1. Se ha de asegurar que en régimen de trabajo, el diodo sea atravesado como mínimo por una corriente inversa Iz expresada por el fabricante para excluir la región de giro del funcionamiento normal.

• 2. No se debe sobrepasar en ningún caso Iz max para asegurar la supervivencia del componente.

• 3. Estos dos valores de Iz llevan asociados un par de valores de tensión, Vz ; aproximadamente el valor medio de ellos representa la tensión nominal del zener Vz nom

Se suele expresar en las características un porcentaje de tolerancia sobre la tensión nominal.

• 4.  La potencia disipada en cada momento, Pz vendrá expresada por el producto de los valores instantáneos de Vz e Iz

• 5. Los valores de Iz min e Iz max con sus valores de Vz asociados representan la región de trabajo

En estos momentos estamos en condiciones de asegurar que en la región de trabajo, el zener es capaz de mantener en sus extremos una tensión considerablemente estable.

El zener como regulador de tension:

En muchas circunstancias la tension aplicada a una carga puede sufrir variaciones indeseables que alteren el funcionamiento nomal de la misma. Estas variaciones generalmente vienen provocadas por:

• 1. Una variacion de la resistencia de carga, que lleva emparejada una variacion de la intensidad de carga.

• 2.  Variaciones de la propia fuente de alimentacion.

• 3. Por ambas causas.

Si elegimos un diodo zener de tension nominal igual a la que es necesaria aplicar a la carga y somos capaces de hacerlo funcionar en su region de trabajo, conseguiremos una tension sin apenas variaciones.

El objeto de este apartado es diseñar un circuito capaz de conseguirlo, para ellos nos apoyaremos en ejemplos de cada una de las tres posibles situaciones.

Ejemplo para la causa 1:

Supongamos que deseamos alimentar una carga que absorve una corriente que puede variar entre 10mA y 40mA para una tension VL = 12V . Para ello disponemos de una f.a VA =18V.

Debemos atenernos a unas condiciones minimas para abordar el diseño con éxito, las cuales son:

• 1. El circuito se diseña para las peores condiciones(IL max).

• 2. El zener debe ser en todo momento atravesado por una IZ min para asegurar su efecto regulador, fijemosla en 5 mA (este dato seria por catalago).

• 3. La tension de la fuente ha de ser en todo momento mayor que la aplicada a la carga para asegurar IZ min .

• 4. Debemos disponer de una resistencia limitadora en serie que absorba la diferencia de tension entre VA y VL sera Rlim.

No olvidemos que tratamos de realizar un montaje practico, y resistencias normalizadas de 133,3 ? no existen, luego deberiamos elegir entre ellos los dos valores normalizados para mas proximos. Tomaremos valores nomalizados al 10 por 100, esto es:

Si eligieramos 150 ? que es el mas proximo superior, no quedaria garantizada IZ min luego se ha de elegir siempre el primer valor inferior normalizado; de esta forma, Rlim = 120 ? esto obliga a calcular de nuevo IT

Ahora, la minima corriente que pasa al zener será:

Como es necesario conocer la potencia que ha de disipar , Rlim

Para dar fiabilidad al circuito se hace necesario sobredimensionar las potencias nominales frente a las disipadas reales, del orden del doble, en este caso PR lim = ½ W.

Del mismo modo, se ha de conocer la potencia maxima que ha de disipar el zener, que corresponderá al minimo valor de IL, entonces:

Por lo que elegimos un zener cuya PZ = 1 W.

De esta forma el circuito queda totalmente calculado

Ejemplo para la causa 2:

Es necesario alimentar una carga de 500 ? con una tensión de 10 V, a partir de una fuente que suministre una tensión que puede variar entre 15 y 20 V.

Ejemplo para la causa 3:

Igualmente, se pueden conectar diodos zener en serie hasta conseguir que la tensión suma de las nominales sea igual a la tensión que es necesario estabilizar, siempre que cada uno de los zener esté dentro de sus especificaciones de corriente y de potencia disipable.

Caracterización del Zener

El diodo zener viene caracterizado por:

1. Tensión Zener Vz.

2. Rango de tolerancia de Vz. (Tolerancia: C: ±5%)

3. Máxima corriente Zener en polarización inversa Iz.

4. Máxima potencia disipada. 5. Máxima temperatura de operación del zener.

Aplicación: Regulador Zener.

Una de las aplicaciones más usuales de los diodos zener es su utilización como reguladores de tensión. La figura 4 muestra el circuito de un diodo usado como regulador

Este circuito se diseña de tal forma que el diodo zener opere en la región de ruptura, aproximándose así a una fuente ideal de tensión. El diodo zener está en paralelo con una resistencia de carga RL y se encarga de mantener constante la tensión entre los extremos de la resistencia de carga (Vout=VZ), dentro de unos límites requeridos en el diseño, a pesar de los cambios que se puedan producir en la fuente de tensión VAA, y en la corriente de carga IL.

Analicemos a continuación el funcionamiento del circuito.

Consideremos primero la operación del circuito cuando la fuente de tensión proporciona un valor VAA constante pero la corriente de carga varia. Las corrientes IL = VZ/RL e IZ están ligadas a través de la ecuación:

Por lo tanto, si VAA y VZ permanecen constantes, VR debe de serlo también (VR = IT · R). De esta forma la corriente total IT queda fijada a pesar de las variaciones de la corriente de carga. Esto lleva a la conclusión de que si IL aumenta, IZ disminuye y viceversa (debido a la ecuación (1)). En consecuencia VZ no permanecerá absolutamente constante, variará muy poco debido a los cambios de IZ que se producen para compensar los cambios de IL.

Si ahora lo que permanece constante es la corriente de carga y la fuente de tensión VAA varía, un aumento de ésta produce un aumento de IT y IZ por tanto de pues IL permanece constante, y lo contrario si se produjera una disminución de VAA. Tendríamos lo mismo que antes, una tensión de salida prácticamente constante, las pequeñas variaciones se producirían por las variaciones de IZ para compensar las variaciones de VAA

Diseño del Regulador Zener

Es importante conocer el intervalo de variación de la tensión de entrada (VAA) y de la corriente de carga (IL) para diseñar el circuito regulador de manera apropiada. La resistencia R debe ser escogida de tal forma que el diodo permanezca en el modo de tensión constante sobre el intervalo completo de variables.

La ecuación del nodo para el circuito de la figura 4 nos dice que:

Para asegurar que el diodo permanezca en la región de tensión constante (ruptura), se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada – salida:

• 1. La corriente a través del diodo IZ es mínima cuando la corriente de carga IL es máxima y la fuente de tensión VAA es mínima.

• 2. La corriente a través del diodo IZ es máxima cuando la corriente de carga IL es mínima y la fuente de tensión VAA es máxima

Cuando estas características de los dos extremos se insertan en la ecuación (3), se encuentra:

En un problema práctico, es razonable suponer que se conoce el intervalo de tensiones de entrada, el intervalo de corriente de salida y el valor de la tensión zener deseada. La ecuación (6) representa por tanto una ecuación con dos incógnitas, las corrientes zener máxima y mínima. Se encuentra una segunda ecuación examinando la figura 5. Para evitar la porción no constante de la curva característica una regla práctica que constituye un criterio de diseño aceptable es escoger la máxima corriente zener 10 veces mayor que la mínima, es decir:

Resolviendo entonces para la máxima corriente zener, se obtiene:

Características del regulador de voltaje con diodo Zener

El diodo Zener se puede utilizar para regular una fuente de voltaje. Este semiconductor se fabrica en una amplia variedad de voltajes y potencias que van desde menos de 2 voltios hasta varios cientos de voltios, y la potencia que pueden disipar va desde 0.25 watts hasta50 watts o más.

La potencia que disipa un diodo Zener es simplemente la multiplicación del voltaje para el que fue fabricado por la corriente que circula por él, es decir:

Pz = Vz x Iz

Donde:

– Iz = Corriente que pasa por el diodo Zener 

– Pz = Potencia del diodo zener (dato del fabricante)

– Vz = Voltaje del diodo zener (dato del fabricante)

Ejemplo: La corriente máxima que un diodo Zener de 10 Voltios y 50 Watts, podrá soportar será:

Iz = Pz / Vz = 50/10 = 5 Amperios

Cálculo de resistor limitador Rs:

El cálculo del resistor Rs está determinado por la corriente que consumirá la carga (la que se encuentra conectada a esta fuente de voltaje).Ver esquema del regulador de voltaje con diodo Zener, con el resistor Rs conectado entre Vin y el cátodo del Zener:

Este resistor se puede calcular con la siguiente fórmula:

Donde:

– Ven (min): es el valor mínimo del voltaje de entrada. (Recordar que es un voltaje no regulado y puede variar sus parámetros)

– IL (max): es el valor de la máxima corriente que pedirá la carga.

Aplicaciones

DIODO ZENER COMO ELEMENTO DE PROTECCIÓN:

Se coloca el diodo Zener en paralelo con el circuito a proteger, si el voltaje de fuente crece por encima de VZ el diodo conduce y no deja que el voltaje que llega al circuito sea mayor a VZ. No se debe usar cuando VF > VZ por largos periodos de tiempo pues en ese caso se daña el diodo. Se aplica acompañado de lámparas de neón o de descargadores de gas para proteger circuitos de descargas eléctricas por rayos.

DIODO ZENER COMO CIRCUITO RECORTADOR:

Se usa con fuentes AC o para recortar señales variables que vienen de elementos de medición (sensores). Cuando VX tiende a hacerse mayor que VZ el diodo entra en conducción y mantiene el circuito con un voltaje igual a VZ.

CONEXIÓN ANTIPARALELO:

Se usa para recortar en dos niveles, uno positivo y el otro negativo

Si el circuito tiene una resistencia equivalente RC la corriente en el diodo es:

Diodo Zener como regulador de voltaje

Se llama voltaje no regulado aquel que disminuye cuando el circuito conectado a él consume más corriente, esto ocurre en las fuentes DC construidas con solo el rectificador y el condensador de filtro, en los adaptadores AC-DC y en las baterías. Un voltaje regulado mantiene su valor constante aunque aumente o disminuya el consumo de corriente. Una de las muchas formas de regular un voltaje es con un diodo Zener.

La condición de funcionamiento correcto es que VF en ningún momento sea menor a VZ. El voltaje regulado sobre el circuito es VZ.

El cálculo del circuito consiste en conocer el valor adecuado de R, como dato se requiere el valor de VF, se selecciona una corriente para el Zener (IZ) menor que su corriente máxima, se calcula o mide la corriente que consume el circuito (IC) cuando se le aplica VZ, y se calcula:

Para circuitos que consumen alta corriente se usa regulación en conjunto de un diodo Zener y un transistor en ese caso el voltaje en el circuito es VZ - 07v.

REFERENCIA DE VOLTAJE

Los diodos Zener son construidos de manera que VZ es muy exacto y se mantiene constante para diferentes valores de IZ, esto permite que un Zener se use en electrónica como referencia de voltaje para diferentes aplicaciones.

Autor:

Robert Córdova López