¿Qué son los diodos Zener?

¿Qué es un diodo Zener?

Un diodo Zener es un tipo especial de diodo rectificador que puede manejar la avería debido a la tensión de ruptura inversa sin fallar por completo. Aquí discutiremos el concepto de usar diodos para regular la caída de voltaje y cómo el diodo Zener opera en modo de polarización inversa para regular el voltaje en un circuito.

Cómo regulan los diodos la caída de voltaje

Si conectamos un diodo y una resistencia en serie con una fuente de voltaje de CC de modo que el diodo esté polarizado hacia adelante, la caída de voltaje a través del diodo permanecerá bastante constante en un amplio rango de voltajes de fuente de alimentación como en la figura (a) a continuación.

La corriente a través de una unión PN con polarización directa es proporcional a e elevado a la potencia de la caída de tensión directa. Debido a que esta es una función exponencial, la corriente aumenta con bastante rapidez para aumentos modestos en la caída de voltaje.

Otra forma de considerar esto es decir que el voltaje que cae a través de un diodo con polarización directa cambia poco para grandes variaciones en la corriente del diodo. En el circuito que se muestra en la figura (a) a continuación, la corriente del diodo está limitada por el voltaje de la fuente de alimentación, la resistencia en serie y la caída de voltaje del diodo, que, como sabemos, no varía mucho de 0,7 voltios.

Referencia de Si con polarización directa:(a) diodo único, 0,7 V, (b) 10 diodos en serie 7,0 V.

Si se aumentara el voltaje de la fuente de alimentación, la caída de voltaje de la resistencia aumentaría casi en la misma cantidad, y el voltaje del diodo disminuiría solo un poco. Por el contrario, una disminución en el voltaje de la fuente de alimentación daría como resultado una disminución casi igual en la caída de voltaje de la resistencia, con solo una pequeña disminución en la caída de voltaje del diodo.

En una palabra, podríamos resumir este comportamiento diciendo que el diodo está regulando la caída de voltaje en aproximadamente 0,7 voltios.

El uso de la regulación de voltaje

La regulación de voltaje es una propiedad de diodo útil para explotar. Supongamos que estamos construyendo algún tipo de circuito que no puede tolerar variaciones en el voltaje de la fuente de alimentación, pero necesita ser alimentado por una batería química, cuyo voltaje cambia a lo largo de su vida útil. Podríamos formar un circuito como se muestra arriba y conectar el circuito que requiere voltaje constante a través del diodo, donde recibiría 0,7 voltios invariables.

Esto ciertamente funcionaría, pero la mayoría de los circuitos prácticos de cualquier tipo requieren un voltaje de suministro de energía superior a 0,7 voltios para funcionar correctamente. Una forma en que podríamos aumentar nuestro punto de regulación de voltaje sería conectar varios diodos en serie para que sus caídas de voltaje directo individuales de 0,7 voltios cada una se sumen para crear un total mayor.

Por ejemplo, en nuestro ejemplo anterior [figura (b)], si tuviéramos diez diodos en serie, el voltaje regulado sería diez veces 0,7 o 7 voltios.

Siempre que el voltaje de la batería nunca caiga por debajo de los 7 voltios, siempre habrá una caída de aproximadamente 7 voltios en la "pila" de diez diodos.

Cómo regulan el voltaje los diodos Zener

Si se requieren voltajes regulados más grandes, podríamos usar más diodos en serie (una opción poco elegante, en mi opinión) o probar un enfoque fundamentalmente diferente.

Sabemos que el voltaje directo del diodo es una cifra bastante constante en una amplia gama de condiciones, pero también lo es el voltaje de ruptura inversa. El voltaje de ruptura suele ser mucho, mucho mayor que el voltaje directo.

Si invertimos la polaridad del diodo en nuestro circuito regulador de un solo diodo y aumentamos el voltaje de la fuente de alimentación hasta el punto en que el diodo se "rompió" (es decir, ya no podría soportar el voltaje de polarización inversa impresa a través de él), el diodo regularía de manera similar el voltaje en ese punto de ruptura, sin permitir que aumente más. Esto se muestra en la figura (a) a continuación.

(a) El diodo de pequeña señal de Si con polarización inversa se descompone a aproximadamente 100V. (b) Símbolo del diodo Zener.

Desafortunadamente, cuando los diodos rectificadores normales "se descomponen", generalmente lo hacen de manera destructiva. Sin embargo, es posible construir un tipo especial de diodo que pueda manejar averías sin fallar por completo. Este tipo de diodo se llama diodo Zener , y su símbolo se muestra en la figura (b) anterior.

Cuando están polarizados hacia adelante, los diodos Zener se comportan de manera muy similar a los diodos rectificadores estándar:tienen una caída de voltaje hacia adelante que sigue la "ecuación del diodo" y es de aproximadamente 0,7 voltios. En el modo de polarización inversa, no conducen hasta que el voltaje aplicado alcanza o excede el llamado voltaje Zener , en cuyo punto el diodo es capaz de conducir una corriente sustancial y, al hacerlo, intentará limitar el voltaje que cae a través de él a ese punto de voltaje Zener.

Siempre que la potencia disipada por esta corriente inversa no exceda los límites térmicos del diodo, el diodo no se dañará. Por esta razón, los diodos Zener a veces se denominan "diodos de ruptura".

Circuito de diodo Zener

Los diodos Zener se fabrican con voltajes Zener que van desde unos pocos voltios hasta cientos de voltios. Este voltaje Zener cambia ligeramente con la temperatura y, al igual que los valores comunes de resistencia de composición de carbono, puede tener un error del 5 al 10 por ciento con respecto a las especificaciones del fabricante. Sin embargo, esta estabilidad y precisión son generalmente lo suficientemente buenas para que el diodo Zener se use como un dispositivo regulador de voltaje en el circuito de suministro de energía común en la figura siguiente.

Circuito regulador de diodo Zener, voltaje Zener =12,6 V).

Funcionamiento del diodo Zener Tome nota de la orientación del diodo Zener en el circuito anterior:el diodo tiene polarización inversa , e intencionalmente. Si hubiésemos orientado el diodo de la manera "normal", de modo que esté polarizado hacia adelante, solo bajaría 0,7 voltios, al igual que un diodo rectificador regular. Si queremos explotar las propiedades de ruptura inversa de este diodo, debemos operarlo en su modo de polarización inversa. Siempre que el voltaje de la fuente de alimentación permanezca por encima del voltaje Zener (12,6 voltios, en este ejemplo), el voltaje caído a través del diodo Zener permanecerá en aproximadamente 12,6 voltios.

Como cualquier dispositivo semiconductor, el diodo Zener es sensible a la temperatura. La temperatura excesiva destruirá un diodo Zener y, debido a que reduce el voltaje y conduce la corriente, produce su propio calor de acuerdo con la ley de Joule (P =IE). Por lo tanto, se debe tener cuidado de diseñar el circuito regulador de tal manera que no se exceda la clasificación de disipación de potencia del diodo. Curiosamente, cuando los diodos Zener fallan debido a una disipación excesiva de energía, generalmente fallan en cortocircuito en lugar de abrir. Un diodo que falla de esta manera se detecta fácilmente:cae casi cero voltaje cuando se polariza en cualquier sentido, como un trozo de cable.

Análisis matemático del circuito regulador de diodo Zener

Examinemos matemáticamente un circuito de regulación de diodo Zener, determinando todos los voltajes, corrientes y disipaciones de potencia. Tomando la misma forma de circuito que se mostró anteriormente, realizaremos cálculos asumiendo un voltaje Zener de 12.6 voltios, un voltaje de suministro de energía de 45 voltios y un valor de resistencia en serie de 1000 Ω (consideraremos que el voltaje Zener es exactamente 12,6 voltios para evitar tener que calificar todas las cifras como "aproximadas" en la Figura (a) a continuación

Si el voltaje del diodo Zener es de 12,6 voltios y el voltaje de la fuente de alimentación es de 45 voltios, habrá una caída de 32,4 voltios a través de la resistencia (45 voltios - 12,6 voltios =32,4 voltios). 32,4 voltios caídos a través de 1000 Ω dan 32,4 mA de corriente en el circuito. (Figura siguiente (b))

(a) Regulador de voltaje Zener con resistencia de 1000 Ω. (b) Cálculo de caídas de voltaje y corriente.

La potencia se calcula multiplicando la corriente por el voltaje (P =IE), por lo que podemos calcular las disipaciones de potencia tanto para la resistencia como para el diodo Zener con bastante facilidad:

Un diodo Zener con una potencia nominal de 0,5 vatios sería adecuado, al igual que una resistencia nominal de 1,5 o 2 vatios de disipación.

Circuito de diodo Zener con resistencias más altas

Si la disipación de potencia excesiva es perjudicial, ¿por qué no diseñar el circuito para la menor cantidad de disipación posible? ¿Por qué no dimensionar la resistencia para un valor de resistencia muy alto, limitando así severamente la corriente y manteniendo muy bajas las cifras de disipación de potencia? Tome este circuito, por ejemplo, con una resistencia de 100 kΩ en lugar de una resistencia de 1 kΩ. Tenga en cuenta que tanto el voltaje de la fuente de alimentación como el voltaje Zener del diodo en la siguiente figura son idénticos al último ejemplo:

Regulador Zener con resistencia de 100 kΩ.

Con solo 1/100 de la corriente que teníamos antes (324 µA en lugar de 32,4 mA), ambas cifras de disipación de potencia deberían ser 100 veces más pequeñas:

Consideraciones con la resistencia a la carga

Parece ideal, ¿no? Menos disipación de energía significa temperaturas de funcionamiento más bajas tanto para el diodo como para la resistencia, y también menos energía desperdiciada en el sistema, ¿verdad? Un valor de resistencia más alto sí reducir los niveles de disipación de potencia en el circuito, pero desafortunadamente introduce otro problema. Recuerde que el propósito de un circuito regulador es proporcionar un voltaje estable para otro circuito . En otras palabras, eventualmente vamos a alimentar algo con 12,6 voltios, y este algo tendrá su propio consumo de corriente.

Consideración de resistencia de caída de valor inferior

Considere nuestro primer circuito regulador, esta vez con una carga de 500 Ω conectada en paralelo con el diodo Zener en la figura siguiente.

Regulador Zener con resistencia en serie de 1000 Ω y carga de 500 Ω.

Si se mantienen 12,6 voltios en una carga de 500 Ω, la carga consumirá 25,2 mA de corriente. Para que la resistencia de "caída" de la serie de 1 kΩ caiga 32,4 voltios (reduciendo el voltaje de la fuente de alimentación de 45 voltios a 12,6 a través del Zener), aún debe conducir 32,4 mA de corriente. Esto deja 7.2 mA de corriente a través del diodo Zener.

Consideración de resistencia de caída de valor más alto

Ahora considere nuestro circuito regulador de "ahorro de energía" con la resistencia de caída de 100 kΩ, que entrega energía a la misma carga de 500 Ω. Lo que se supone que debe hacer es mantener 12,6 voltios en la carga, al igual que el último circuito. Sin embargo, como veremos, no puede realizar esta tarea. (Figura siguiente)

No regulador Zener con resistencia en serie de 100 KΩ con carga de 500 Ω.>

Con el valor mayor de resistencia de caída en su lugar, solo habrá aproximadamente 224 mV de voltaje en la carga de 500 Ω, ¡mucho menos que el valor esperado de 12.6 voltios! ¿Por qué es esto? Si realmente tuviéramos 12,6 voltios en la carga, consumiría 25,2 mA de corriente, como antes. Esta corriente de carga tendría que pasar por la resistencia de caída en serie como lo hizo antes, pero con una resistencia de caída nueva (¡mucho más grande!) En su lugar, el voltaje caído a través de esa resistencia con 25.2 mA de corriente a través de él sería de 2.520 voltios. Dado que obviamente no tenemos tanto voltaje suministrado por la batería, esto no puede suceder.

Análisis de mayor resistencia a caídas sin diodo Zener

La situación es más fácil de comprender si quitamos temporalmente el diodo Zener del circuito y analizamos el comportamiento de las dos resistencias solas en la figura siguiente.

No regulador con Zener eliminado.

Tanto la resistencia de caída de 100 kΩ como la resistencia de carga de 500 Ω están en serie entre sí, lo que da una resistencia total del circuito de 100,5 kΩ. Con un voltaje total de 45 voltios y una resistencia total de 100,5 kΩ, la ley de Ohm (I =E / R) nos dice que la corriente será de 447,76 µA. Calculando caídas de voltaje en ambas resistencias (E =IR), llegamos a 44,776 voltios y 224 mV, respectivamente.

Si volviéramos a instalar el diodo Zener en este punto, también “vería” 224 mV a través de él, estando en paralelo con la resistencia de carga. Esto está muy por debajo del voltaje de ruptura Zener del diodo y, por lo tanto, no se "descompondrá" ni conducirá la corriente. De hecho, a este bajo voltaje, el diodo no conduciría incluso si estuviera polarizado hacia adelante. Por lo tanto, el diodo deja de regular el voltaje. Se deben dejar caer al menos 12,6 voltios para "activarlo".

La técnica analítica de quitar un diodo Zener de un circuito y ver si hay suficiente voltaje presente para que conduzca es sólida. ¡El hecho de que un diodo Zener esté conectado en un circuito no garantiza que siempre se caerá el voltaje Zener completo a través de él! Recuerde que los diodos Zener funcionan limitando voltaje a un nivel máximo; no pueden maquillar por falta de voltaje.

Regla en la operación de regulación del diodo Zener

En resumen, cualquier circuito regulador de diodo Zener funcionará siempre que la resistencia de la carga sea igual o mayor que algún valor mínimo. Si la resistencia de carga es demasiado baja, consumirá demasiada corriente, dejando caer demasiado voltaje a través de la resistencia de caída en serie, dejando un voltaje insuficiente en el diodo Zener para que conduzca. Cuando el diodo Zener deja de conducir corriente, ya no puede regular el voltaje y el voltaje de carga caerá por debajo del punto de regulación.

Cálculo de la resistencia de carga para ciertos resistores de caída

Sin embargo, nuestro circuito regulador con la resistencia de caída de 100 kΩ debe ser bueno para algún valor de resistencia de carga. Para encontrar este valor de resistencia de carga aceptable, podemos usar una tabla para calcular la resistencia en el circuito en serie de dos resistencias (sin diodo), insertando los valores conocidos de voltaje total y resistencia de caída de resistencia, y calculando para un voltaje de carga esperado de 12.6 voltios :

Con 45 voltios de voltaje total y 12,6 voltios en la carga, deberíamos tener 32,4 voltios en R _cayendo :

Con 32,4 voltios a través de la resistencia de caída y 100 kΩ de resistencia en ella, la corriente a través de ella será de 324 µA:

Al ser un circuito en serie, la corriente es igual a través de todos los componentes en un momento dado:

Calcular la resistencia de carga ahora es una simple cuestión de la ley de Ohm (R =E / I), lo que nos da 38.889 kΩ:

Por lo tanto, si la resistencia de carga es exactamente 38.889 kΩ, habrá 12.6 voltios a través de ella, con diodo o sin diodo. Cualquier resistencia de carga inferior a 38,889 kΩ dará como resultado un voltaje de carga inferior a 12,6 voltios, con diodo o sin diodo. Con el diodo en su lugar, la tensión de carga se regulará a un máximo de 12,6 voltios para cualquier resistencia de carga mayor de 38,889 kΩ.

Con el valor original de 1 kΩ para la resistencia de caída, nuestro circuito regulador pudo regular adecuadamente el voltaje incluso para una resistencia de carga tan baja como 500 Ω. Lo que vemos es una compensación entre la disipación de potencia y la resistencia de carga aceptable. La resistencia de caída de valor más alto nos dio menos disipación de potencia, a expensas de elevar el valor de resistencia de carga mínimo aceptable. Si deseamos regular el voltaje para resistencias de carga de bajo valor, el circuito debe estar preparado para manejar una mayor disipación de potencia.

Cómo regula el voltaje el diodo Zener

Los diodos Zener regulan el voltaje actuando como cargas complementarias, extrayendo más o menos corriente según sea necesario para garantizar una caída de voltaje constante a través de la carga. Esto es análogo a regular la velocidad de un automóvil frenando en lugar de variando la posición del acelerador:no solo es un desperdicio, sino que los frenos deben construirse para manejar toda la potencia del motor cuando las condiciones de conducción no lo exigen.

A pesar de esta ineficacia fundamental de diseño, los circuitos reguladores de diodos Zener se emplean ampliamente debido a su gran simplicidad. En aplicaciones de alta potencia donde las ineficiencias serían inaceptables, se aplican otras técnicas de regulación de voltaje. Pero incluso entonces, los circuitos pequeños basados ​​en Zener se utilizan a menudo para proporcionar un voltaje de "referencia" para impulsar un circuito amplificador más eficiente que controle la potencia principal.

Voltajes comunes del diodo Zener

Los diodos Zener se fabrican en las clasificaciones de voltaje estándar que se enumeran en la tabla siguiente. La tabla “Voltajes comunes del diodo Zener” enumera los voltajes comunes para piezas de 0.3W y 1.3W. La potencia corresponde al tamaño del troquel y del paquete y es la potencia que el diodo puede disipar sin sufrir daños.

Voltajes de diodo Zener comunes

0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V20V11V16V12V18V9.1V10V20V11V16V12V

Cortadora de diodo Zener: Un circuito de recorte que recorta los picos de la forma de onda a aproximadamente el voltaje Zener de los diodos. El circuito de la Figura siguiente tiene dos Zener conectados en serie opuestos para recortar simétricamente una forma de onda a casi el voltaje Zener. La resistencia limita la corriente consumida por los Zener a un valor seguro.

 * SPICE 03445.eps D1 4 0 diodo D2 4 2 diodo R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN (0 20 1k) .modelo diodo d bv =10 .tran 0.001m 2m .end 

Cortadora de diodos Zener:

El voltaje de ruptura Zener para los diodos se establece en 10 V por el parámetro del modelo de diodo "bv =10" en la lista de la red de especias en la Figura anterior. Esto hace que los Zener se recorten a unos 10 V. Los diodos consecutivos recortan ambos picos. Para un semiciclo positivo, el Zener superior tiene polarización inversa, descomponiéndose en el voltaje Zener de 10 V. El Zener inferior cae aproximadamente 0,7 V ya que está polarizado hacia adelante. Por tanto, un nivel de recorte más preciso es 10 + 0,7 =10,7V. Se produce un recorte de semiciclo negativo similar a -10,7 V. (Figura siguiente) muestra el nivel de recorte a un poco más de ± 10 V.

Recortador de diodos Zener:la entrada v (1) se recorta en la forma de onda v (2).

REVISAR:

• Los diodos Zener están diseñados para funcionar en modo de polarización inversa, proporcionando una ruptura estable relativamente baja o Zener voltaje al que comienzan a conducir una corriente inversa sustancial.
• Un diodo Zener puede funcionar como un regulador de voltaje actuando como una carga accesoria, extrayendo más corriente de la fuente si el voltaje es demasiado alto y menos si es demasiado bajo.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de diodos Zener
• Proyecto de diseño:hoja de trabajo del regulador de voltaje de CC