ESCUELA DE EDUCACIÓN TÉCNICA SALESIANA SAN JOSÉ Nº 8013

“ELECTRONICA”

4º Año

“DIODO ZENER”

TEORIA

ESCUELA DE EDUCACIÓN TÉCNICA

SALESIANA SAN JOSÉ Nº 8013

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INTRODUCCION

Para completar una fuente de alimentación que transforma corriente alterna en continua es necesario conectar a la salida de los circuitos vistos un elemento regulador, que, a variaciones de la corriente de salida mantenga la tensión constante. Mediante la regulación prácticamente se elimina el ripple, obteniéndose a la salida una tensión constante, aunque varíe la corriente sobre la carga y/o la tensión de entrada a la fuente. El circuito estabilizador o regulador se conecta después del filtro, como se puede observar en la figura 1.

La estabilización se puede conseguir mediante circuitos construidos con componentes discretos (diodos, transistores, resistencias, etc.) o con circuitos integrados denominados reguladores de tensión. Estos dispositivos pueden ser utilizados como único elemento del estabilizador o también como componente básico de un estabilizador más complejo.

Tanto en el caso de reguladores integrados como en el de discretos, el elemento de referencia incluido siempre es un diodo de características especiales denominado zener.

DIODO DE JUNTURA SEMICONDUCTOR

La curva I-V del diodo PN rectificador elemental se ilustra en la siguiente figura 2:

El modelo matemático más empleado es el de Shockley que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones:

1 T K V q

S D

D

e I I

Donde:

 I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo

 VD es la diferencia de tensión entre los extremos del diodo.

 IS es la corriente de saturación (aproximadamente 10−12 Amper)

 q es la carga del electrón cuyo valor es 1.6 * 10 − 19

 T es la temperatura absoluta de la unión

 k es la constante de Boltzmann

 n es el coeficiente de emisión, que depende del proceso de fabricación del diodo, y toma valores del orden de 1 (para el germanio) y del orden de 2 (silicio).

Tensión umbral (ON voltage); Coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado.

Corriente máxima (IFmax): Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo en directa sin fundirse por el efecto Joule. Depende sobre todo del diseño geométrico y la capacidad de disipar potencia.

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Corriente inversa de saturación (IS): Es la pequeña corriente que en polarización inversa se establece por la formación de pares electrón-hueco debido a la energía térmica. Se duplica ante cada incremento de 10ºC. También existe una corriente adicional debido a la “Corriente superficial de fugas”, que aumenta con la tensión inversa de polarización.

Tensión de ruptura (VR): A partir de un determinado valor de tensión se produce la ruptura inversa del diodo, lo que implica un fuerte incremento en la corriente inversa, como se analizará a continuación.

Tipos de ruptura inversa: Avalancha y Zener

A medida que aumenta la tensión de polarización inversa de un diodo PN crece la extensión de la zona desierta y la magnitud del campo eléctrico máximo de la juntura. Para cierto valor de tensión inversa (tensión de ruptura o de avalancha) puede ocurrir que los portadores alcancen energías tan altas que al chocar con la red generen nuevos portadores (Fig. 3). Este efecto multiplicador en la cantidad de portadores debe ser limitado mediante una resistencia serie externa para evitar la destrucción del diodo.

En cambio, si el dopaje del diodo es mayor, la zona desierta será más reducida, y no habrá distancia suficiente para acelerar a los portadores como para generar el efecto avalancha. En este caso, si la tensión inversa es suficientemente grande, se producirá un desprendimiento de portadores de la zona de vaciamiento por un efecto cuántico llamado “efecto túnel”.

En general, en los diodos están presentes tanto el efecto Zener como el efecto de Avalancha, pero el efecto predominante será aquel que se produzca a menor tensión inversa. En los diodos de silicio es posible lograr el efecto Zener para valores de aproximadamente 1 a 5.6 Volts, mientras que por sobre 5.6 Volts predomina el efecto de avalancha.

El Diodo ZENER

El diodo Zener, recibe este nombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas.

Existen distintos símbolos para su representación esquemática, la figura 4 presenta los más usados y su aspecto exterior, que no difiere en nada de los diodos semiconductores normales. .

El diodo zener es un tipo especial de diodo que normalmente se utiliza polarizado inversamente haciéndolos funcionar en la tensión de ruptura inversa, en la llamada zona de ruptura o zona de regulación, independientemente de si ésta ruptura se produce por Efecto Zener o por Efecto Avalancha. En los diodos rectificadores estudiados al polarizarlos inversamente, se podía alcanzar la destrucción por efecto avalancha o por efecto zéner si les aplicábamos en sus extremos la tensión de ruptura. Pues bien esta limitación (ruptura por efecto zéner) es aprovechada en el diodo zéner, el cual funciona en dicha zona, y una vez que desaparezca la

Figura 3

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polarización inversa el componente recupera sus propiedades como un diodo normal sin que se destruya o sufra deterioro alguno, salvo que sea alcanzada la corriente máxima de zener Izmax indicada por el fabricante.

Durante la polarización inversa trabajando en zona de regulación la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo (figura 5).

Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el diodo zener encuentra su principal aplicación en los llamados circuitos reguladores de tensión que entregan tensiones casi constantes independientemente de las variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y de la temperatura.

También son utilizados como elementos de referencia de tensión para otros circuitos

En su designación se da información del tipo (Zener) y de su tensión nominal de zener.(VZN) ó tensión de ruptura.

En esencia, un diodo zener es exactamente igual a un diodo común como los que ya se han estudiado, es decir, pueden ser polarizados directa e inversamente, tienen una tensión de umbral V (generalmente de 0,6 a 0,7v), corriente directa máxima, potencia de disipación o temperatura de empaque y una tensión de ruptura o tensión de zener o tensión de zener nominal. Es precisamente en esta última característica en donde nace la diferencia. Un diodo Zener es construido de manera que la tensión de ruptura no sea tan elevada si no más pequeña de manera que pueda ser más fácilmente alcanzable. Si se recuerda, en un diodo común, cuando se sobrepasaba la tensión de ruptura del diodo se quemaba por sobretensión, en el diodo zener al sobrepasar esta tensión no ocurre esto debido a dos razones: primero a la forma de dopado del material semiconductor y segundo por que las tensiones no son tan altas como antes que eran del orden de 600V, 1000V, 1300V.

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.

Para fabricar diodos con un valor determinado de tensión de ruptura (VZN) hay que ver la impurificación porque VZN 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: Figura 6

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FUNCIONAMIENTO Y CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO ZENER

Como ya dijimos 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. En la figura 8 puede apreciarse su característica tensión - corriente, y en ellas nos apoyaremos para estudiar su funcionamiento.

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

Si sigue aumentando la tensión de polarización inversa se alcanza un determinado valor, tensión de codo ó de rodilla ó de giro, donde los aumentos de corriente son considerables frente a los aumentos de tensión (observar en torno a esta tensión la curvatura de la gráfica). Sobrepasa esta zona, a pequeños incrementos de tensión corresponden aumentos elevados de la corriente IZ. Alcanzada la circunstancia anterior, nos encontramos 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, Izmin o también llamada IZK expresada por el fabricante para excluir la región de giro del funcionamiento normal.

2- No se debe sobrepasar en ningún caso Izmax para asegurar que el componente no se queme. 3- Estos dos valores de IZ (Izmin e Izmax) llevan asociados un par de valores de tensión VZ (VZNmin y

VZNmax); aproximadamente el valor medio de ellos representa la tensión nominal de zener Vznom ó VZN. Se suele expresar en las características un porcentaje de tolerancia sobre la VZN.

4- La potencia disipada en cada momento, PZ, vendrá expresada por el producto de los valores instantáneos de VZ e IZ.

5- La potencia máxima que resiste en la "Zona de Ruptura" ,"Zona Zener", o “Zona de Regulación” es:

6- Los valores de Izmin e Izmax con sus valores de VZ asociados representan la región de trabajo.

Debido a que en polarización inversa el diodo Zener presenta una región de tensión casi constante para un rango amplio de corrientes (ver Fig. 4) se los utiliza para obtener una tensión regulada.

PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE UN DIODO ZENER

Las características que los catálogos suelen ofrecer, pueden clasificarse en dos grupos, según la importancia de las mismas.

Los datos importantes a tener en cuenta cuando tengamos que elegir un diodo zener para cualquier tipo de aplicación son la tensión de zener VZ y la de potencia máxima PZ .

En el cálculo para el diseño de Reguladores con diodos Zener, se mantienen exactamente los mismos parámetros utilizados para el cálculo de un circuito rectificador con filtro, más la adición de los parámetros del diodo zener que se explican a continuación y que pueden ser observados en la curva característica:

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Tensión o Voltaje de Zener Nominal (VZ ó VZN): Como su nombre lo indica, esta es la tensión a la cual el diodo zener conduce en polarización inversa, bajo condiciones de temperatura normales, manteniendo el diodo entre sus extremos en forma constante esta tensión (con pequeñas variaciones) cuando se polariza inversamente. Las variaciones de tensión se producen, como se puede apreciar en la figura 4, cuando cambia la corriente que circula por el diodo en inversa, a la cual representaremos como IZ . Los zener vienen para tensiones entre 1,8V y 200V. Este parámetro se usa de referencia para comprar el diodo zener. .Las tensiones de zener no suelen ser números enteros, así nos encontramos con valores tales como 4.7, 5.1, 6.2, etc. Los diodos comerciales más comunes suelen ser los comprendidos entre 3.3 y 75v,

Tolerancia: Similar a la utilizada para resistencias, nos indica el rango de error que se puede esperar en la tensión o voltaje zener nominal, son comunes tolerancias del 20%, 10%, 5% y 1%. Y hasta 0.05%. Obviamente a menor tolerancia mayor costo. El fabricante indica la tolerancia en porcentaje sobre la tensión nominal de zener. Un valor muy normal suele ser de 5 %. Entonces un zener de 6.2v con una tolerancia del 5%, puede tener 5.89 < VZ <6.51v para una corriente de zener intermedia y a tºamb.

Intensidad Zener Mínima (IZmin ó IZK): A diferencia del diodo común, el zener aparte de necesitar una tensión mayor a la de ruptura para funcionar, necesita una corriente mínima de encendido. La corriente mínima de zener es aquella a partir de la cual la tensión de zener se mantiene prácticamente constante (Fig. 4). Este valor suele ser pequeño (del orden de los mA) y debido a la dificultad de obtener este valor se considera siempre que tiene un valor de 5mA (Ver calculo) ó se calcula como el 10% de la Izmax. En cualquier aplicación es necesario garantizar que por el diodo circula al menos esta corriente cuando las condiciones de tensión de entrada del circuito son mínimas.

Intensidad Zener Máxima (IZmax ó IZM): Es la máxima intensidad que soporta el zener en polarización inversa. Este parámetro es muy importante ya que existirán ocasiones en que la carga sea desconectada, por lo que la corriente de la carga pasará al zener y si es demasiado alta, el zener se quemará. La corriente máxima de zener se obtiene:

ZN Zmax Zmax I V

P

ZN Zma x Zma x

V P I

Potencia Disipada Máxima (PZ): Este parámetro es más utilizado que la intensidad zener máxima y especifica la máxima potencia que puede disipar el empaque del zener en forma de calor. La potencia de zener es el valor máximo que el elemento puede disipar cuando esta polarizado en sentido inverso. El dato de potencia suministrado por el fabricante es el correspondiente a una temperatura de 25° C. Los zener vienen en potencias entre 0.25W a 50W. Este es el segundo parámetro que se usa de referencia para comprar el diodo zener. Si la potencia calculada es muy alta se puede utilizar diodos zener en paralelo con el fin de dividir la corriente total, consiguiendo menos disipación de potencia por zener.

Coeficiente de temperatura: La tensión de zener también puede variar cuando se producen cambios de temperatura. Los fabricantes indican el coeficiente de temperatura que representa la variación, en porcentaje de la tensión nominal por cada °C. Dicho coeficiente es negativo para diodos de tensión inferior a 5v y positivo para valores superiores a 6v. En la franja intermedia el valor puede ser positivo o negativo. Ejemplo el coeficiente de temperatura de un diodo zener de 6.2v y 500mW es de +0.045% / °C. Los diodos Zener de silicio de 5.6 V son muy populares, ya que ambos efectos se producen en simultáneo, compensando la variación de temperatura.

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Corriente inversa de saturación (IS o IR). Es la pequeña corriente que en polarización inversa se establece por la formación de pares electrón-hueco debido a la energía térmica. Se duplica ante cada incremento de 10ºC. También existe una corriente adicional debido a la “Corriente superficial de fugas”, que aumenta con la tensión inversa de polarización.

En resumen, las magnitudes que pueden provocar cambios en el valor de la tensión nominal de zener son la tolerancia, la resistencia de zener y la temperatura.

Los manuales suelen indicar, además, los valores limites de corriente directa e inversa y de potencia para cortos periodos de tiempo y los valores de temperatura máximos soportables por la unión del diodo y las temperaturas limites de almacenamiento.

APROXIMACIONES DEL ZENER

Modelo ideal (1ª aproximación)

Si buscamos su equivalente veremos que es una pila o fuente de continua con la tensión VZ. Esto solo es válido entre IZmín e IZmáx.

2ª aproximación

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

INTERPRETACIÓN DE DATOS DE LA HOJA DE CARACTERÍSTICAS DE UN ZENER

Veamos algunos datos y cálculos de valores a partir de la hoja de características con un ejemplo.

EJEMPLO: ZENER 1N759

 Corriente de prueba o testeo a la que el fabricante referencia algunos datos, en nuestro ejemplo IZT = 20 mA.

 Tensión de zener nominal: VZN = 12 V @ IZT (definida a una corriente de testeo IZT) El fabricante suele dar un valor intermedio de VZN definida a una IZT.

Figura 9

Figura 10

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 Máxima impedancia de zener: RZ ó ZZT = 30 @ IZT = 20 mA

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

 Máxima corriente de zener: IZM ó IZmáx = 30 /35 mA (esta variación entre diodos iguales es debida a la tolerancia).

 Potencia Disipada Máxima (PZ): Este parámetro es más comúnmente utilizado que la intensidad zener máxima y especifica la máxima potencia que puede disipar el empaque del zener en forma de calor. Los zener vienen en potencias entre 0.25W a 50W. Este es el segundo parámetro que se usa de referencia para comprar el diodo zener.

Haciendo algunos cálculos:

mW mA

V Iz

V

P_{Z ZN max} 12 30 360 Ó mW mA

V Iz

V

P_{Z ZN max} 12 35 420

 Tolerancia: En cuanto a la tensión zener (VZN). Nos indica el rango de error que se puede

esperar en el voltaje zener nominal, son comunes tolerancias del 20%, 10%, 5% y 1% (Ej. Un zener de 10V / 20% puede tener un voltaje zener entre 8V y 12V),. Obviamente a menor tolerancia mayor costo. La forma de indicarla es con una letra y varia según el tipo de nomenclatura utilizada (americana, europea, japonesa), En nuestro caso ejemplo:

 Serie 1N746 (1N746 al 1N759) ± 10 %



Serie 1N746A (1N746A al 1N759A) ± 5 %

EJEMPLO:

1N759 VZN = 12 V ± 10 % (13,2 V y 10,8 V)

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

 Mínima corriente del zener: IZmin ó IZK

 Corriente inversa de saturación del zener (IS ó IR): viene referida a una determinada tensión inversa VR y a una determinada temperatura. En nuestro ejemplo es de 0,12 µA @ VR=1V y TA=25ºC (que quiere decir definido para una tensión inversa de 1 V y 25 ºC de temperatura ambiente).

A continuación se muestran partes de las hojas de datos entregadas por dos fabricantes diferentes, la primeras de a General Semiconductor y la segunda a Fairchild.

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Tabla de características eléctricas según GENERAL SEMICONDUCTOR

 Encapsulado: es el envoltorio o package exterior y esta íntimamente ligado a la potencia máxima del dispositivo. En la figuran se aprecia algunos de los mas utilizados.

CÓDIGO DE IDENTIFICACIÓN DEL ZENER

Existen tres tipos de identificación de los diodos zener.

 El más moderno consiste en tres letras seguidas de un número de serie y el valor que hace referencia a la tensión zener.

1. Es una B, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor de silicio 2. Es una Z, indica que se trata de un diodo zener

3. Es una X o Z indica que se trata de aplicaciones profesionales

Después ira el número de serie indicado por el fabricante y la tensión zener, utilizando la V como coma decimal.

En ocasiones se le añade una letra más que nos indicara la tolerancia de la tensión zener, según el siguiente código:

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A: 1%

B: 2%

C: 5%

D: 10%

E: 20%.

Por ejemplo: BZY74-C6V3

El número indica la tensión zener nominal utilizando la V como separador decimal, es un diodo zener de 6,3 V y 5% de tolerancia

 Otro código es el que utiliza también tres letras y el numero de serie del fabricante, siendo

1. Es un O, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor 2. Es AZ, indica que se trata de un diodo zener

3. El número de serie del fabricante

 Y por ultimo el código americano, que al igual que los diodos rectificadores seria: 1Nseguido por un número de serie

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EL ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN

En muchas circunstancias la tensión aplicada a una carga puede sufrir variaciones indeseables que alteren el funcionamiento normal de la misma.

Estas circunstancias generalmente vienen provocadas por:

1- Una variación de la resistencia de carga, que lleva emparejada una variación de la intensidad de carga.

2- Variaciones de la propia fuente de alimentación. 3- Por ambas causas.

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

El objetivo de este apartado es diseñar un circuito capaz de conseguirlo, para ello nos apoyaremos en ejemplos de cada una de las dos primeras posibles situaciones.

Diseño causa 1: “Tensión de entrada al regulador constante y carga variable”

Se desea alimentar una carga que absorbe una corriente que puede variar entre 10 mA y 40mA, para una tensión de entrada de 12v. Para ello disponemos de una tensión de entrada de 18v. Debemos atenernos a unas condiciones mínimas para abordar el diseño con éxito. Estas condiciones son:

1- El circuito se diseña para las peores condiciones (IRLmax).

2- El zener debe ser en todo momento atravesado por una IZmin (también llamada IZK para asegurar su efecto regulador, fijémosla en 5mA (este dato seria dado por el manual). Si el manual no proporciona este dato se puede aproximar a el 10% de IZmax

3- La tensión de la fuente ha de ser en todo momento mayor que la aplicada a la carga para asegurar IZmin .

4- Debemos disponer de una resistencia limitadora en serie que absorba la diferencia de tensión entre Vi y VRL; será RLim.

De esta forma, el circuito quedaría como el representado en la figura 13, con lo cual el zener asegura la estabilidad de la tensión VRL.(VO)

Si hemos de asegurar IZmin

mA mA

mA 40 45 5

RLmax Zmin

T I I

I

RLim. debe absorber la diferencia de tensión, por lo tanto::

V 6 V 12 V 18 V V

V_{RLin i o}

de donde.

133,3Ω

mA 45

V 6 mA 40 mA 5

V 12 V 18 I

V I

I

V V R

T RLin

RLmax Zmin

o i Lin

Ahora bien, como tratamos de realizar un montaje práctico, y resistencia de 133,3Ω no existen, debemos elegir entre los dos valores normalizados más próximos.

Utilizaremos valores comerciales al 10 % de tolerancia:

120 Ω < 133,3 Ω < 150 Ω

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Si elegimos 150 Ω, que es el más próximo superior, no quedaría garantizada IZmin luego se ha de elegir siempre el primer valor inferior normalizado.

También debemos verificar que el valor elegido más su tolerancia (el límite superior de los valores garantizados por el fabricante) no supere el valor teórico calculado dado que se correría riesgo que el circuito no regulara en todo el rango esperado.

Ω 132 Ω 120 Ω 108 10% Ω 120

Pero como: 132Ω 133,3Ω

La adopción del valor es correcta.

Ahora recalculemos las corrientes del circuito utilizando la RLim comercial elegida:

mA 5 Ω 120

V 6 R

V I

Lin RLin

T 0

Ahora, la mínima corriente que atravesara el zener será:

mA 10 40 50

RLmax T

min I I

I

Como es necesario conocer la potencia que ha de disipar RLim

W 0,3 mA V

6 I V

P_{RLin RLin T} 50

Para da fiabilidad al circuito, se hace necesario sobredimensionar las potencias nominales frente a las disipadas reales, del orden del doble, en este caso PRLim = 1/2W.

Del mismo modo, se ha de conocer la potencia máxima que ha de disipar el zener, que corresponderá al mínimo valor de IRL, entonces:

mA mA

mA 10 40 50

RLmin T

max I I

I de donde:

mW 4

mA V

1 I V

P_{Zmax Z max} 2 40 80

Por tanto elegimos un zener de PZ = 1W

De esta forma el circuito queda totalmente calculado

W

/

%

R

lim

120

10

1

2

Obsérvese que IT no varía y que el zener varía su corriente absorbida, compensando las variaciones producidas en IRL y asegurando, de esta forma, la estabilidad de VRL.

Un inconveniente común en nuestro circuito regulador estudiado es que voluntariamente o accidentalmente se desconecte la carga quedando nuestro circuito en VACIO (Sin carga RL). Esta circunstancia es importante tenerla en cuenta dado que el circuito seguirá funcionando y el zener deberá soportar toda la corriente.

Regulador de tensión en vacío (sin carga)

W

adoptamos

mW

P

P

mA

I

I

V

V

max z Z

min min

Z ZN

1

480

10

12

zéner

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mA 5 Ω 120

V 6 R

V I I

Lin RLin

T 0

mW mA

V 1 I V

P_{Zmax Z max} 2 50 600

Debemos notar que el zener desarrollará mas potencia sin carga (en vacío) que con carga y de no tenerse en cuenta podría destruirse el diodo. En nuestro caso habiendo adoptado potencia comercial 1W estamos cubiertos tanto para el funcionamiento a plena carga como en vacío.

Diseño causa 2: “Tensión de entrada al regulador variable y carga constante”

Es necesario alimentar una carga de 500 Ω con una tensión de 10 V, a partir de una fuente que suministra una tensión que puede variar entre 15 y 20 V. (En adelante tomaremos IZmin = 5 mA y recordemos que este dato se obtendrá del catalogo al elegir el zéner.)

El esquema de diseño se representa en la figura 15.

En este caso, las condiciones de trabajo vienen determinadas par la fuente y, de nuevo, hay que asegurar IZ min.

Ahora bien, para asegurar VRL, al variar Vi, debe variar el VR lim y, por tanto. IT, luego IT min corresponderá al caso de Vi min (que resulta ser el caso más desfavorable)

mA

mA

mA

I

I

I

Tmin L Zmin

20

5

25

Si, para estas condiciones, calculamos RLim, IZmin no será nunca inferior a 5 mA, entonces;

V

V

V

V

Vi

V

R_Limmin _{min RL}

15

10

5

de donde

200

25

5

mA

V

I

V

R

min T lim

min lim R

Por las razones ya expuestas, el valor real de RLim será 180 Ω (el valor comercial inferior mas cercano al hallado teniendo en cuenta la tolerancia), por lo cual IZmin aumentará su valor.

mA

,

V

R

V

I

lim min

T

min lim R

77

27

180

5

mA

,

mA

mA

,

I

I

I

min _{Tmin RL}

27

77

20

7

77

La potencia de Rlim será calculada para el valor máximo de Vi (Vimax) ya que serán entonces cuando la potencia disipada sea mayor

V

V

V

V

Vi

V

R_Limmax _{max RL}

20

10

10

mA

V

R

V

I

L RL L

R

20

500

10

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mW

W

,

V

l

R

)

V

(

P

im max lim R lim

R

0

555

555

180

10

2

2

de donde adoptaremos:

P

Rlim

1

W

Del mismo modo, la máxima potencia disipada por el zéner corresponderá a la misma situación, que es cuando mayor corriente absorbe, luego

mA

,

V

R

V

I

lim max T max lim R

55

55

180

10

mA

,

mA

mA

,

I

I

I

max Tmax _RL

55

55

20

35

55

Resultando:

mW

,

mA

.

V

I

V

P

Zmax ZN max

10

35

55

355

55

De esta forma el circuito queda totalmente calculado

W

%

R

lim

180

10

1

Análisis condición de vacío (sin carga)

La peor condición se dará cuando Vi sea máxima (Vimax) y ahora la corriente por el zener será la misma que por la RLim

mA

,

V

R

V

I

I

lim ax m max T max lim R

55

55

180

10

mW

,

mA

.

V

I

V

P

Zmax ZN max

10

55

55

555

55

En nuestro caso habiendo adoptado potencia comercial 1W estamos cubiertos tanto para el funcionamiento a plena carga como en vacío pero nótese que si hubiéramos elegido ½ W estaríamos en problema porque en vacío la potencia disipada es mayor a ½ W.

Diseño causa 3: “Tensión de entrada al regulador variable y carga variable”

Para alimentar una carga que absorbe una corriente que varia entre 10 mA y 50 mA a una tensión de 10 V disponemos de una fuente que suministra una tensión que varia entre 15 y 20 V. Hay que diseñar el circuito necesario.

Apoyándonos en los dos casos anteriores, IZmin se ha de asegurar para IRLmax y. para Vimin simultáneamente. La Figura 17 muestra el circuito correspondiente.

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I.

V

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V

V

V

V

Vi

V

R_Limmin _{min RL}

15

10

5

Se debe garantizar la minima corriente de zener en la peor condición de carga es decir:

mA

mA

mA

I

IR

I

Tmin _Lmax Zmin

50

5

55

La RLim será:

90

90

55

5

5

50

10

15

,

mA

V

mA

mA

V

V

I

I

V

Vi

R

min Z max RL RL min lim

Luego adoptamos el valor comercial menor mas cercano contemplando la tolerancia:

%

.

R

lim

82

10

Recalculamos:

mA

,

V

V

V

R

V

Vi

I

lim RL min min

T

60

97

82

5

82

10

15

mA

,

mA

mA

,

I

I

I

max L R min T in

m

60

97

50

10

97

Las potencias de RLim y de Z, deben ser calculadas para las condiciones opuestas, o sea, para Vimax e IRLmin

mA

,

V

V

V

R

V

Vi

I

lim RL max max

T

121

95

82

10

82

10

20

W

,

)

V

V

(

R

)

V

V

(

P

lim RL max i lim

R

1

22

82

10

20

2

2

Adoptamos:

P

Rlim

2

W

La PZmax corresponderá a la máxima Imax, entonces:

mA

,

mA

mA

,

I

I

I

min L R max T ax

m

121

95

10

111

95

V

V

V

V

Vi

V

R_Limmax _{max RL}

20

10

10

W

,

mA

.

V

I

V

P

Zmax ZN max

10

111

95

1

12

W

%

R

lim

82

10

2

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Análisis condición de vacío (sin carga)

La peor condición se dará cuando Vi sea máxima (Vimax). Ahora la corriente por el zener será la misma que por la RLim

mA

,

V

V

V

R

V

Vi

I

I

lim RL max max

max

T

121

95

82

10

82

10

20

W

,

mA

.

V

I

V

P

Zmax ZN max

10

121

95

1

22

En nuestro caso habiendo adoptado potencia comercial 2W estamos cubiertos tanto para el funcionamiento a plena carga como en vacío.

Téngase en consideración que, los subíndices Imax y PZmax no son referidos en estos casos a las características dadas por el fabricante, sino a los máximos valores alcanzados en cada circuito.

Los casos de diseños estudiados debemos pensarlos en las situaciones prácticas como la siguiente:

Problemas que podemos tener:

RL variable (variaciones de carga).

Variaciones de tensión de red (variaciones de la tensión de entrada Vi).

A continuación veremos como analizar un regulador dado para determinar si funciona correctamente ante distintas situaciones:

W

adoptamos

W

,

P

P

mA

,

I

I

V

V

max z Z

min min

Z ZN

2

12

1

9

10

10

zéner

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Conocido el regulador de tensión como analizar si funciona bien en vacío (sin carga)

Vi estará entre valores Vimax y Vimin., y el regulador tiene que funcionar bien entre esos dos valores. Además para que funcione correctamente el zener tiene que trabajar en la zona de regulación.

Para que esté en regulación y funcione correctamente se tiene que cumplir:

 Si

:



 Luego si esta en regulación hay que verificar que la potencia disipada por RLIM sea menor que la potencia comercial.

EJEMPLO: Comprobar si funciona bien el siguiente circuito regulador constituido por un zener de tensión de nominal de 10 V y una potencia de 1W con una RLim de 820 - 2 W,

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, la que absorbe la tensión que sobra es la RLim y la potencia disipada en peor condición por RLim es de 1,09 W < PRLim= 2 W. Por tanto siempre regula y no se destruye ningún componente.

lim ZN T

R

V

Vi

I

I

Figura 21

{

Figura 22 (inversa) regula n ZENER V

Vi ZN o

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Conocido el regulador de tensión como analizar si funciona bien con plena carga

Para comprobar que estamos en zona de regulación calculamos el equivalente de Thevenin desde los bornes del zener.

Para que esté en regulación y funcione correctamente se tiene que cumplir:

 Si

 Si VTH < VZN entonces el zener esta en inversa (No Regula)

 Luego si esta en regulación hay que verificar que la potencia disipada por RLIM sea menor que la potencia máxima comercial.

1ª aproximación

Lim ZN T

RL T

R V Vi I

I I I

Pero:

max RL RL min RL

max min

I I I

Vi Vi Vi

Entonces:

min RL max T max

max RL min T min

I I

I

I I

I

Como en el anterior caso los valores del circuito tienen que estar entre un máximo y un mínimo del proporcionado por el catálogo (figura 27).

El zener absorbe la corriente sobrante (IZ variable) y la resistencia (R) la tensión sobrante. Entonces a la salida la forma de la onda queda como se muestra en la figura 28.

Figura 24

L L Lim

TH

R

R

R

Vi

V

Figura 25

Figura 26

Figura 27

Figura 28 max

min Z N T H

Iz I Iz

zener de

o regulación de

Zona V

V

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2ª aproximación

El circuito equivalente sería de la siguiente forma:

A ese circuito se le aplica la superposición:

 Si pasivamos

Viripple

:

 Si pasivamos

Vicc

;:

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

Rz Rz R

Vi V

V V V

Lim ripple Z N

Oripple Z N

R L

Si la relación entre las resistencias fueran RZ << RLIM y RZ<< RL

ripple Lim

ripple Lim

Oripple R L

Lim L

Vi R

Rz Vi

Rz R

Rz V

V

R R Rz que

(Aceptando , )

ZN

RL

V

V

Vo

ripple Lim

Oripple RL

L

Vi Rz R

Rz V

V

R Rz que

(Aceptando ) Figura 29

Figura 30

Figura 31

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

ripple Lim

ZN Oripple ZN

RL V V V _RRz Vi

V

Pero si las resistencias RZ, RLim y RL son del mismo orden:

ripple O Lim O Oripple RL L L O L O

Vi

R

R

R

V

V

R

Rz

R

Rz

R

R

Rz

R

//

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

ripple O Lim O ZN Oripple ZN

RL V V V _R R _R Vi

V

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

EJEMPLO: En el siguiente circuito con un zener 1N961 de VZN = 10 V RZ = 8,5 y RL = 1 K

Hallar Voripple y FR%.

V 4 ripple

Vi

Dado que RZ << RL

mV V , V , , 122 122 0 4 5 8 270 5 8 ripple Lim

Oripple _R Rz_Rz Vi

V % , % V V , 22 1 100 10 122 0 100% Vo Vo FR% C C ripple

También podríamos decir que RZ << RL . RLim

mV V , V , 126 126 0 4 270 5 8 ripple Lim

Oripple _RRz Vi

V % , % V V , 26 1 100 10 126 0 100% Vo Vo FR% C C ripple

Si no hubieramos utilizado ninguna de las aproximaciones:

43 8 1000 5 8 1000 5 8 , , , L L O L

O Rz//R R _RzRz R_R

R mV V , V , , 121 121 0 4 43 8 270 43 8 ripple O Lim O Oripple

RL V _R R _R Vi

V

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% , % V V , 21 1 100 10 121 0 100% Vo Vo FR% CC ripple

Puede apreciarse en el ejemplo que los criterios de aproximación son correctos si se dan las relaciones entre las resistencias.

EJEMPLO:El circuito dela figura 34 es s un convertidor CC/CC (continua en continua). Convierte 18 V en 10 V. Tiene un zener de VZN=10v y Pz = 1 W, la resistencia limitadora es RLim = 270 ½ W y la carga RL=1 K . ¿Está el diodo Zener funcionando en la zona de Zener?¿Esta el circuito correctamente dimensionado.

Solución

Desconectando mentalmente el diodo Zener para aplicar Thevenin y calculando la VTH nos queda:

R V , V

R R Vi V _L L Lim

TH 1000 1417

1000 270 18 mA , mA mA , I I I mA K V R V I mA , V V R V Vi I RL T L ZN RL LIM ZN T 62 19 10 62 29 10 1 10 62 29 270 10 18 mA % I I mA V W V P I max Z min Z ZN max Z max Z 10 10 100 10 1

Como: VTH > VZN (14,17 V > 10 V)

Y como; IZmin = 10 mA < I= 19,62 mA < IZmax = 100 mA

Entonces el zener esta en zona de regulación (Regula)

W / mW , mA , V I V Vi I V

P_{Rlim Rlimmax Tmax ZN T} 8 2962 23696 1 2

Entonces RLim funciona correctamente y no se destruye.

Hemos verificado las condiciones de regulación

Debemos tener en cuenta que si nuestra Izmin hubiera sido diferente podría haberse dado: Figura 34

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Como mejorar el ripple de salida del regulador de tensión

Para disminuir más el ripple o rizado se puede poner otro regulador.

Ejemplo:

Este es un ejemplo de un prerregulador (el primer Zener) que excita a otro regulador (el segundo Zener). En primer lugar, observe que el prerregulador tiene una tensión de salida de 20v. Esta es la entrada para el segundo regulador Zener, cuya salida es de 10v. La idea es suministrar al segundo regulador una entrada bien regulada, para que la salida final esté perfectamente ajustada.

FACTOR DE REGULACIÓN

Rz

I

V

Vz

Rz

I

V

Vz

%

100

V

Vz

Vz

R%

min ZN max

min ZN min

ZN min max

COEFICIENTE DE TEMPERATURA

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 comportan de otra manera. Recordemos que cuando la ruptura se produce por efecto Zener la tensión VzN presenta un coeficiente de variación negativo con la temperatura. y, cuando predomina el efecto de avalancha la VzN tiene un coeficiente positivo de variación con la temperatura. Los diodos Zener de silicio de 5.6 V son muy populares, ya que ambos efectos se producen en simultáneo, compensando la variación de temperatura. Veamos algunos ejemplos:

Figura 36

Figura 37

Si Rz = 0

R% = 0% (Caso Zener ideal)

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EJEMPLO:VZN = 3,3 V

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 VZN = 5 V.

Veamos que ocurre cuando tenemos un valor mayor de VZN.

EJEMPLO:VZN = 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.

Otra alternativa es combinar un diodo de VZN < 5 V con otro de VZN > 5v de modo que uno tenga coeficiente negativo y el otro coeficiente positivo de variación con la temperatura compensándose de esta forma las variaciones.

Figura 37

Figura 38

Figura 39

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Otra solución se logra con un diodo normal y un zener. En este caso además de compensarse es bastante estable y puede presentarse encapsulada.

DISTINTAS FORMAS DE CONECTAR EL ZENER

En la práctica no se dispone de todos los valores comerciales de los diodos zener y para obtener la tensión deseada a veces es necesario conectar los zener en serie obteniendo la suma de las tensiones o en paralelo logrando aumentar la potencia efectiva del conjunto.

Supongamos que poseemos n diodos cada uno con sus correspondientes características a saber:

Zener 1: IZmin 1 , IZmax 1, VZN 1 , PZmax1.

Zener 2: IZmin 2 , IZmax 21, VZN 21 , PZmax2

……… ……….

Zener n: IZmin 1 , IZmax 1, VZN 1 , PZmax1..

Asociación de diodos Zeners en paralelo.

En determinados casos en que no se dispone de diodos zéner adecuados a las necesidades del circuito, es posible conectar en paralelo diodos zéner de igual tensión nominal, hasta conseguir que la corriente máxima que se ha de derivar, sea menor que la suma de las IZmax características de los diodos. En estos casos se debe tener en cuenta que los diodos no son exactamente iguales y que en algunos casos se deben tener previsto el uso de Resistencias ecualizadoras.

Es importante hacer notar que para asociar diodos zeners en paralelo lo ideal es que sean zeners idénticos

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Asociación de diodos Zeners en serie.

En determinados casos en que no se dispone de diodos zéner adecuados, se pueden conectar diodos zéner 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 zéner este dentro de sus especificaciones de corriente y de potencia disipable.

OTRA FORMA DE CÁLCULO

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

RL Z ZN i o i Lin I I V V I V V R T (1)

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 IRL es máxima y la fuente de tensión Vi es mínima.

2. La corriente a través del diodo Iz es máxima cuando la corriente de carga IRL es mínima y la fuente de tensión Vi es máxima.

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max min

min

RL Z

ZN i

Lin

I

I

V

V

R

(2)

min max

max

RL Z

ZN i

Lin

I

I

V

V

R

(3)

Igualando las ecuaciones (2) y (3) llegamos a que:

max min

max min

max

min ZN Z RL i ZN Z RL

i

V

I

I

V

V

I

I

V

(4)

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 (4) representa por tanto una ecuación con dos incógnitas, las corrientes zener máxima y mínima. Se encuentra una segunda ecuación examinando la siguiente figura (curva Id / Vd) 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:

min

max Z

Z

I

I

10

(5)

La ecuación (4) se podrá entonces reescribir de la siguiente manera:

max mAX

max min

max

min ZN Z RL i ZN Z RL

i

V

I

I

V

V

0,1

I

I

V

(6)

Resolviendo entonces para la máxima corriente zener, se obtiene:

mA X ma x

ma x ma x mi n

mi n

mA X

V

0,9

V

0,1

Vi

V

V

I

V

V

I

I

ZN i

ZN i

RL i

ZN RL

Z (7)

Ahora que se tiene la máxima corriente zener, el valor de RLim se puede calcular de cualquiera de las ecuaciones (2) ó (3). No es suficiente con especificar el valor de RLim, también se debe seleccionar la resistencia apropiada capaz de manejar la potencia estimada. La máxima potencia vendrá dada por el producto de la tensión por la corriente, utilizando el máximo de cada valor.

ZN i

R z

ZN i

T

R

I

V

V

I

I

V

V

P

_{max max max Lmi n max}