Coeficiente de temperatura de un diodo zener

Coeficiente de temperatura de un diodo zener

Anteriormente habíamos visto que dependiendo de la impurezas que tengamos se puede conseguir un zener con distinto VZ (diferentes tipos de zener).

Además esto es para una misma temperatura, pero si se varía la temperatura se comporta de otra manera, veámoslo con un ejemplo:

Ejemplo:

En este caso el zener tiene un "Coeficiente de Temperatura Negativo" (porque al aumenta la temperatura disminuye VZ). Esto les ocurrirá a todos los zener hasta VZ = 5 V. Veamos que ocurre cuando tenemos un valor mayor de VZ.

Ejemplo: VZ = 15 V

Ocurre todo lo contrario que antes, la VZ aumenta con la temperatura, este zener tiene un "Coeficiente de temperatura positivo". Y esto ocurre para todos los zener de 6 V en adelante.

La razón por lo que pasa eso es porque para menos de 5 V se da el "Efecto Zener". Pero a partir de 6 V se da el "Efecto Avalancha".

¿Que hacer si queremos alimentar una carga a 11 V?

Si queremos que no varié mucho es mejor que pongamos 2 de 5,5 V porque no varían tanto con la temperatura. Para que la tensión sea más estable y no varíe tanto con la temperatura.

Otro tipo de encapsulado que tiene 2 diodos dentro es este:

En este caso tenemos un diodo normal y un zener. En este caso además de compensarse es bastante estable.

Ejemplo:

Es un convertidor CC/CC (continua en continua). Convierte 18 V en 10 V. ¿Cómo funciona? Hay que ver si el zener trabaja en ruptura.

Pero todavía hay que ver la corriente, veamos tres casos:

Recordar para estar en ruptura se tenía que cumplir:

El diodo Schottky

A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en peligro el dispositivo.

El diodo Schottky es la solución ya que puede conmutar más rápido que un diodo normal. El diodo Schottky con polarización directa tiene 0,25 V de barrera de potencial frente a los 0,7 V de un diodo normal. Puede rectificar con facilidad a frecuencias superiores a 300 MHz.

El Diodo Varicap

El Varicap (Epicap, capacidad controlada por tensión o diodo de sintonía) es un diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad esta controlada por la tensión.

Las regiones p y n se comportan como las placas de un condensador y la zona de deplexión es como el dieléctrico.

En inversa la anchura de la "Zona de deplexión" aumenta con la tensión inversa y la capacidad disminuye.

El diodo Zener

La aplicación de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensión y actúa como dispositivo de tensión constante (como una pila).

Símbolo:

Característica

Su gráfica es de la siguiente forma:

Un diodo normal también tiene una zona de ruptura, pero no puede funcionar en él, con el Zener si se puede trabajar en esa zona.

La potencia máxima que resiste en la "Zona de Ruptura" ("Zona Zener"):

En la zona de ruptura se produce el "Efecto Avalancha" ó "Efecto Zener", esto es, la corriente aumenta bruscamente.

Para fabricar diodos con un valor determinado de tensión de ruptura (Vz) hay que ver la impurificación porque Vz es función de la impurificación (NA ó ND), depende de las impurezas.

La zona de ruptura no es una vertical, realmente tiene una inclinación debida a Rz:

En un "Diodo Zener Real" todos son curvas, pero para facilitar los cálculos se aproxima siempre.

Las aproximaciones para el zener son estas:

Modelo ideal (1ª aproximación)

Si buscamos su equivalente veremos que es una pila con la tensión VZ.

Esto solo es válido entre IZmín y IZmáx.

2ª aproximación

Como en el caso anterior lo sustituimos por un modelo equivalente:

Simulación

El circuito es un limitador con diodos zener. En este circuito, cuando un diodo esta polarizado en directa, el otro diodo lo estará en inversa.

Se utiliza la segunda aproximación de los diodos.

Podemos variar la escala de la gráfica modificando la escala del eje y.

Cada vez que se introduzcan nuevos datos, pulsar el botón "Calcular".

Para realización de esta simulación se han tomado estas equivalencias:

RL = Rload VL = Vload

El Regulador Zener

Habiendo visto anteriormente este circuito:

Primeramente supondremos que están conectados directamente, por lo tanto vC = vL entonces:

Problemas que podemos tener:

• RL variable (variaciones de carga).

• Variaciones de tensión de red (variaciones de red).

Debido a estos dos problemas la onda de salida de ese circuito puede variar entre dos valores y como nuestro objetivo es obtener una tensión constante a la salida tendremos que hacer algo. Para resolver este problema ponemos un regulador de tensión basado en el diodo zener.

Ahora vamos a analizar este regulador de tensión.

Regulador de tensión en vacío (sin carga)

vS estará entre un mínimo y un máximo, y el regulador tiene que funcionar bien entre esos 2 valores (vSmáx y vSmín).En este caso vS lo pondremos como una pila variable.

Además para que funcione correctamente el zener tiene que trabajar en la zona de ruptura.

Para que esté en ruptura se tiene que cumplir:

Ejemplo: Comprobar si funciona bien el siguiente circuito:

Hay que ver si en la característica los valores se encuentran entre IZmín y IZmáx para comprobar si funciona bien.

Funciona bien porque se encuentra entre los dos valores (máximo y mínimo). La salida es constante, lo que absorbe la tensión que sobra es la R (que es la resistencia limitadora).

Regulador de tensión con carga

Para comprobar que estamos en ruptura calculamos el equivalente de Thevenin desde los bornes de la tensión VZ:

Como en el anterior caso los valores del circuito tienen que estar entre un máximo y un mínimo:

El zener absorbe la corriente sobrante (IZ variable) y la resistencia (R) la tensión sobrante. Entonces a la salida la forma de la onda es la siguiente:

• 2ª aproximación

El circuito equivalente sería de la siguiente forma:

A ese circuito se le aplica la superposición:

Como la superposición es la suma de estos 2 circuitos la solución será esta:

Con esto se ve que lo que hace el zener es "Amortiguar el rizado". Veamos cuanto disminuye el rizado:

Ejemplo:1N961 VZ = 10 V RZ = 8,5 V VRentr. = 2 V

Si quiero disminuir más el rizado pondría otro regulador que disminuiría más el rizado pico a pico:

Hoja de características de un zener

Vamos a ver el calculo de los valores a partir de la hoja de características con un ejemplo.

Ejemplo: 1N759 VZ = 12 V IZT = 20 mA

El fabricante suele dar un valor intermedio de Vz y IzT.(corriente de prueba, valor al que el fabricante a hecho esa prueba).

Al ser una curva, su pendiente varía y su Rz también, entonces el fabricante suele dar el valor en ese punto:

RZ = ZZT = 30 W a IZT = 20 mA

IZmáx = 30 ÷ 35 mA (esta variación entre diodos iguales es debida a la tolerancia).

Haciendo algunos cálculos:

PZ = VZ•IZ = 12•30 = 360 mW

= 12•35 = 420 mW

Tolerancia: En cuanto a la tensión zener (VZ):

Serie 1N746 (1N746 al 1N759) ± 10 %

Serie 1N746A (1N746A al 1N759A) ± 5 %

Ejemplo: 1N759 VZ = 12 V ± 10 % (13,2 V y 10,8 V)

1N759A VZ = 12 V ± 5 % (12,6 V y 11,4 V)

Problemas Con Diodos Zener

Problema 1.

Queremos construir un circuito estabilizador (Regulador) que entregue a la salida una tensión de 5,1 V, sabiendo que la carga consume una ILmáx = 100 mA, siendo ILmín = 0 y que dispone de una alimentación que varía entre 9 V y 10 V. Los diodos zener de que se dispone son:

Elegir el componente que corresponda y diseñar el circuito.

Solución:

Hay que elegir el más barato que se pueda. Si cogemos el Z1:

Si se abre la carga por el zener irían 105 mA y como IZmáx = 78 mA no podría funcionar, se quemaría y se estropearía no la resistiría. Si probamos con Z2:

Veamos si es suficiente esa corriente, la peor suposición es ILmáx = 100 mA.

Si abrimos la carga los 150 mA van por el zener y como soporta hasta 294 mA si valdría, el Z2 es el adecuado. Ahora elegiremos la resistencia (R).

Tenemos dos puntos importantes para analizarlos:

• Peligro de que el zener se quede sin corriente

Suposiciones críticas para ese punto:

El peor caso para que el zener se quede sin corriente es que vaya el máximo valor por RL o que vaya el mínimo de tensión por RL (9 V).

Si varío esa R por ejemplo a 30 W:

Disminuye la IZ al aumentar la R. Por lo tanto no puedo

...