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