Diodo Zener como regulador de voltaje

Comportamiento del Zener

Funcionamiento

Diseño del Regulador Zener

Características del regulador de voltaje con diodo Zener

Aplicaciones

Diodo Zener como regulador de voltaje

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:

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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

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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.

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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.

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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.

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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:

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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

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Ahora, la minima corriente que pasa al zener será:

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

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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:

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

De esta forma el circuito queda totalmente calculado

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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.

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Ejemplo para la causa 3:

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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.

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Caracterización del Zener

El diodo zener viene caracterizado

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