Electrónica Análoga. Diodo Zener y fuentes reguladas

Universidad Nacional de Colombia. Calvera Juan, Daz Kevin, Villamizar Csar. Diodo zener y fuentes reguladas

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Resumen Una de las caractersticas ms importantes del comportamiento de los diodos en la zona de ruptura es que

presentan una cada de tensin casi constante, es por esto que,

con el fin de aprovechar dicha caracterstica, surgen los diodos

zener diseados para trabajar especficamente en la zona de

ruptura. El diseo de circuitos reguladores de voltaje es una de

las ms importantes aplicaciones de los diodos zener. Por lo

anterior es importante conocer el comportamiento de estos

elementos y la forma en la que pueden ser empleados en el diseo

de reguladores de voltaje. Se realizar el montaje de un circuito

sencillo que permitir recopilar datos para hallar la curva

caracterstica del diodo zener. Posteriormente se llevara a cabo el

montaje de dos circuitos reguladores de voltaje que permitirn

visualizar el comportamiento del diodo zener frente a variaciones

en la tensin de la fuente y la resistencia de carga. Por ltimo se

realizar el montaje de una fuente DC regulada por zener en

donde se tomaran medidas para visualizar la funcin de cada una

de las partes de la fuente y en especial el papel que desempea el

diodo zener en esta.

Palabras ClaveDiodo, Zener, Regulador, Zona de ruptura, Fuente regulada.

Abstract One of the most important characteristics of diode behavior on the breakdown region is that these present an

almost constant voltage, this is why in order to take advantage of

this, zener diodes are created to work specifically on the

breakdown zone. Voltage regulating circuits design is one of the

most important applications of zener diodes, because of this, it is

vital to know the performance of these elements, and the way that

they can be used on the design of voltage regulators. The montage

of a simple circuit will be done, this circuit will allow to collect

data in order to find the characteristic curve of the zener diode.

Later, two voltage regulating circuits will be made, these will

permit to visualize the behavior of the zener diode against

variations on the input voltage or the load resistor. At last, the

montage of a zener-regulated DC source will be realized, and the

role of the zener diode on it will be analyzed.

KeywordsDiode, Zener, Regulator, Caida de voltaje, Breakdown region, Regulated source.

I. INTRODUCCIN

El objetivo de este informe es dar a conocer los

valores obtenidos en las mediciones realizadas a

cuatro circuitos que emplean diodos zener con el fin

de visualizar tanto la curva caracteristica de este

diodo como el papel que desempea en los circuitos

reguladores de voltaje. Ademas de esto se realizar

un anlisis de dichos datos y un contraste de estos

con los valores tericos y simulados para asi

comprobar el correcto funcionamiento de los

circuitos diseados por el grupo de trabajo.

II. MATERIALES USADOS

En la Tabla I. se encuentran listados los

materiales e instrumentos usados en la prctica. [1]

TABLA I

MATERIALES E INSTRUMENTOS NECESARIOS

Cantidad Descripcin

1 Osciloscopio de 2 canales

1 Fuente DC

1 Multmetro digital

3 Sondas

2 Conectores banana-caimn

- Condensadores variados

- Resistencias varias

- Potencimetros varios

1 Transformador de tap central. 1A

Input: 120V Output: 9, 6, 0, 6, 9

4 Diodos 1N4004

1 Diodo BZX555C4V7

1 Diodo 1N4733A

1 Diodo 1N4742A

III. MARCO TERICO

A. Diodo Zener

El diodo zener es un diodo diseado para trabajar en

polarizacin inversa en la regin de ruptura, esto es

debido a que en dicha regin su voltaje es casi

constante, en donde a variaciones notorias de corriente su tensin casi no vara. En la Figura 1 se

ilustra el smbolo de circuito del diodo zener, en

donde los valores Iz y Vz son cantidades positivas.

Diodo Zener y fuentes reguladas

(Abril 2014) Calvera Durn Juan Camilo, Daz Gmez Kevin Enrique, Villamizar Castellanos Csar Augusto

{jccalverad, kediazg, cavillamizarc}@unal.edu.co

Universidad Nacional de Colombia


2

Figura 1: Smbolo de circuito del diodo zener [4]

El comportamiento que este diodo presenta en la zona de ruptura es la razn por la que son tan

ampliamente usados en el diseo de reguladores de

voltaje. En la Figura 2 se muestra la curva

caracterstica del diodo zener y algunos parmetros

usados en la construccin de este.

Figura 2: Curva caracterstica del diodo zener [5]

Dnde:

En la Figura 2 se puede observar que cuando se

sobrepasa la corriente de rodilla la curva

caracterstica del diodo se asemeja mucho a una

recta en donde su intercepcin con el plano

horizontal es el valor de VZ0 y la pendiente de la

recta es 1/ rz valores con los cuales se puede

modelar dicha recta. El valor de Vz es la cada de

tensin que presenta el diodo con una corriente de

prueba IZT, ambos datos vienen dados por el

fabricante. Como se muestra en la Figura 2, para un

notorio I, se presenta un pequeo V, la relacin entre estos dos valores viene dada por la siguiente

expresin:

El valor de rz tambin se especifica en las hojas de

datos del diodo al igual que datos importantes como

la potencia mxima a la que puede ser sometido

antes de daarse. Debido a que la curva

caracterstica del zener se puede modelar con una

recta, se puede establecer un modelo simplificado

del diodo zener, dicho modelo se muestra en la

Figura 3.

Figura 3: Modelo simplificado del diodo zener [6]

En donde:

Este modelo es vlido cuando se trabaja con

corrientes mayores a la corriente de rodilla.

B. Regulador de voltaje

Suele suceder que las seales de salida de los

circuitos rectificadores cuenta con valores de rizado

no muy pequeos que no son convenientes para la

alimentacin de ciertos circuitos electrnicos, es por

esto que se hace necesario corregir estas seales

para hacerlas lo menos variables posible, y es


3

precisamente esa la funcin de los circuitos

reguladores de voltaje, tomar seales con cierto

rizado y entregar seales con la menor variacin

posible.

En la elaboracin de estos circuitos se usan los

diodos zener debido a su capacidad de mantener

variaciones muy bajas de tensin frente a cambios

considerables de corriente. Un regulador de voltaje

se compone de una resistencia en serie con la seal

de entrada que limita el flujo de corriente y una

resistencia de carga en paralelo con el diodo. En la

Figura 4 se ilustra el funcionamiento y la

composicin de un regulador de voltaje.

Figura 4: Funcionamiento y modelo de un regulador de voltaje [7]

IV. RESULTADOS ESPERADOS

A. Caractersticas del diodo Zener.

Para la prctica se pretende usar un diodo C4V7,

con el cual se considera una corriente mnima de

1mA y una mxima de 85mA [1].

Los siguientes clculos y notaciones se basan en el

circuito encontrado en la Figura 5.

Figura 5: Circuito de caracterizacin de diodo Zener.

Suponiendo un voltaje constante sobre el diodo de

4,7 voltios y V1=12V+4,7V, se puede saber que la

corriente total sobre el circuito vendr dada por:

El valor mximo de sta corriente se alcanzar en

el momento en que RV1 sea igual a 0, por tanto se

requiere que R1 sea tal que no permita una corriente

mayor a 85mA:

Para la prctica se usar una resistencia de 330 con una potencia mnima calculada por la

expresin:

Con estas condiciones se espera obtener una

corriente mxima de 36,3mA.

Una vez conocida la resistencia R1 requerida para

alcanzar la corriente mxima deseada, se calcula

con ste valor la resistencia RV1 necesaria para

obtener una corriente mnima aproximadamente

igual a la especificada por el fabricante.

En la experiencia se usar un potencimetro de

10K.


4

A partir de estos clculos se realiz la simulacin

del circuito en el programa Proteus de Labcenter

Electronics.

Figura 6: Simulacin circuito de caracterizacin con

resistencias RV1 mxima y mnima.

Luego de tabular y graficar varios valores de

corrientes y voltajes sobre el diodo se espera

obtener una curva aproximada a la resaltada en la

Figura 7, la cual corresponde a la grfica de

corriente Vs. voltaje caracterstica del diodo a

utilizar.

Figura 7: Curva caracterstica del diodo C4V7 especificada por General Semiconductor [1].

B. Fuentes reguladas

1) Carga variable

El diodo usado para la prctica ser el 1N4733A,

del cual se conoce, tiene un voltaje zener de 5,1V,

una corriente mnima de 1mA y una disipacin de

potencia mxima de 1W [2].



Figura 8: Circuito de regulacin con carga variable.

Considerando el circuito de la Figura 8 se puede

saber que la menor y mayor corriente sobre el diodo

se presentar al ajustar RV1 a 0 y 500 respectivamente.

Se calcula el valor de la resistencia mxima R1

para que la corriente sobre el diodo corresponda a la

mnima necesaria a partir de la siguiente expresin

(se considera RV1=0):

Para la experiencia se dispondr de una resistencia

R1 equivalente a 150 con una disipacin de potencia mnima calculada:

Conociendo los valores de las resistencias se

calcula la potencia mxima que pasar por el diodo

para confirmar que sta no sobrepase el valor de

1W (se considera RV1=500 ).


5

Mediante la simulacin del circuito propuesto se

confirma el funcionamiento esperado de los

elementos.

Figura 9: Simulacin circuito de regulacin con RV1 max.

2) Alimentacin variable



En la experiencia se usar un diodo de referencia

C4V7 con parmetros de corriente y voltaje

mencionados anteriormente en el literal A[1].

Figura 10: Circuito de regulacin con alimentacin variable.

Se calcula R1 de modo que, cuando la

alimentacin sea mnima (15V) se tenga un voltaje

de salida cercano a 5,1V para el cual se requiere una

corriente zener de 5mA.

Para la prctica se usar una resistencia de 300 , con la cual se espera obtener una corriente sobre el

diodo dada por:

A partir de estas consideraciones se calculan las

potencias mximas a disipar por la resistencia y el

diodo (Caso de alimentacin mxima).

El funcionamiento correcto se confirma mediante

la simulacin del circuito.

Figura 11: Simulacin circuito de regulacin con

alimentacin mnima.

C. Fuente DC regulada por Zener.

Para conseguir una fuente DC de 12V regulada

mediante un diodo Zener se emplearn las salidas

de 9V AC (RMS) de un transformador, as como un

diodo 1N4742A, del cual se conoce un voltaje zener

de 12V, corriente de 1mA y potencia mxima de

1W [2].

Figura 12: Fuente DC regulada por Zener.

Suponiendo el uso de diodos con un modelo de

cada de voltaje de 0,7V en el puente de diodos se

puede calcular el voltaje pico que tendr la seal

luego de la fase de rectificacin a partir de la

expresin:

Luego de la fase de filtrado se requiere un voltaje

de rizado muy pequeo con el fin de tener

variaciones mnimas de corriente en la salida de la

fuente. La capacitancia del condensador necesaria

ser calculada ms adelante y se supondr un

voltaje de rizado muy prximo a 0.


6

Para la fase de regulacin se calcula la resistencia

R1 de modo que se disponga de una corriente de

salida mxima de 70 mA.

En la prctica se usar un valor de R1 equivalente

a 150 , cuya potencia mxima a disipar se calcula por:

Sabiendo que la mnima carga sobre la cual se

descargar el condensador ser aproximadamente

R1, se puede llegar a la expresin que describe el

voltaje de rizado mximo al que llegar la salida no

regulada de la fuente:

Al establecer un voltaje de rizo mximo de 0,5V y

considerar que el periodo de la seal ser la mitad

del original proporcionado por el transformador, se

puede calcular el valor mnimo del condensador a

usar:

Por tanto se podr emplear un condensador de

2200uF y obtener un voltaje de rizado menor a 0,5V

cuando la carga conectada sea mnima.

-Clculo de parmetros para diferentes corrientes

de salida:

*Se espera obtener un valor de corriente de salida

de 70mA cuando la carga conectada a la fuente

cumpla:

Al emplear un par de resistencias con valor de

560 en paralelo se obtendr el valor aproximado

de 180 .

*Para una corriente de salida de 20mA se deber

hacer uso de una carga que cumpla:

Al emplear un par de resistencias con valor de

300 en serie se obtendr el valor deseado.

*Se espera obtener una corriente de salida de 0A

al no conectar una resistencia a la fuente (carga

infinita), momento en el cual el diodo zener tendr

que disipar la mayor potencia, calculada por:

Valor que se confirma ser menor al mximo de

potencia soportada por el dispositivo.

El funcionamiento correcto de la fuente y sus

componentes es confirmado mediante la simulacin

del circuito y la visualizacin de las grficas de

voltajes de salida antes y despus de la regulacin

(Figuras 13 y 14).

Figura 13: Simulacin fuente 12V DC regulada por zener

Figura 14: Grfica de salida de voltaje antes de la regulacin

y luego de sta.

V. RESULTADOS

A. Caractersticas del diodo zener

La Tabla II muestra las parejas de valores de

voltaje y corriente sobre el diodo al variar el valor

de RV1.

TABLA II

VALORES DE VOLTAJE Y CORRIENTE SOBRE EL DIODO

Voltaje (V) Corriente (mA)

4,36 1,23

4,48 2

4,56 3

4,6 4

4,64 5

4,66 6

4,67 7


7

4,69 8

4,7 9

4,71 10

4,75 15

4,77 20

4,78 25

4,79 30

En la Grfica 1 se muestra la relacin entre la

corriente y el voltaje del diodo zener C4V7

obtenida experimentalmente.

Como anexo se encuentra la misma grfica con el

clculo aproximado de recta tangente para una

corriente de prueba de 5mA.

Grfica 1: Voltaje(V) Vs. Corriente(mA) en el diodo

BZX555C4V7


1) Carga variable

En la Tabla III se consignan los valores obtenidos

en las mediciones realizadas al regulador de voltaje

con resistencia de carga variable.

TABLA III

VALORES DEL REGULADOR DE VOLTAJE CON RESISTENCIA

VARIABLE

Valor de la

resistencia

variable ( )

Voltaje de

salida (V)

Corriente de

entrada (mA)

Corriente de

salida (mA)

0 4,89 97,6 90

500 5,25 95,3 10


En la Tabla IV se consignan los valores obtenidos

en las mediciones realizadas al regulador de voltaje

con voltaje de alimentacin variable.

TABLA IV

VALORES DEL REGULADOR DE VOLTAJE CON VOLTAJE DE

ALIMENTACIN VARIABLE

Voltaje de la

fuente (V)

Voltaje de

salida (V)

Corriente de

entrada (mA)

Corriente de

salida (mA)

16 4,74 39,8 30,25

25 4,84 71,8 30,88

C. Fuente DC regulada por zener

En la Tabla V se consignan los valores obtenidos en

las mediciones realizadas a la fuente DC regulada

por zener.

TABLA V

VALORES DE LA FUENTE DC REGULADA POR ZENER

Resistencia de

carga () Corriente de

salida (mA)

Voltaje de

entrada al

transformador

(Vrms)

Voltaje de

salida del

transformador

(Vrms)

0 120 19,35

660 20.11 121,4 19,48

180 80.5 120 19,46

Las Figuras 15-17 muestran las seales de voltaje

antes y luego de la fase de regulacin.

Figura 15: Seales de voltaje antes y luego de la regulacin.

Escala de 5V por unidad. Resistencia de carga 180.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9

Co

rrie

nte

co

bre

el d

iod

o (

mA

)

Voltaje sobre el diodo (V)

Curva caracterstica diodo zener C4V7


8


Escala de 5V por unidad. Resistencia de carga 660


Escala de 5V por unidad. Resistencia de carga infinita.

VI. ANLISIS DE RESULTADOS

A. Caractersticas del diodo zener

Observando la tabla II y la grfica 1 (comparando

con la fig. 7) Se puede ver que la grfica

caracterstica del diodo zener coincide con la

esperada. Al observar la tabla, se nota que con

pequeas variaciones de voltaje se consiguen

grandes variaciones de corriente (y viceversa) esto

es el efecto avalancha y hace que la curva

caracterstica se convierta en una lnea casi vertical

(con voltajes mucho ms elevados). Se observa

tambin la similitud de la grfica con la curva

caracterstica de un diodo polarizado en directa.


1) Carga variable

Se puede confirmar por las mediciones que la

corriente sobre el diodo no supera el valor mximo

de 196mA que soporta el dispositivo, y solo llega

a ser 85,3mA.

Calculando el porcentaje de diferencia que tiene

las mediciones del voltaje de salida respecto al

nominal de 5.1 se encuentra:

Ambos porcentajes resultaron ser bastante bajos y

admisibles para afirmar que se consigue una

regulacin exitosa para cargas encontradas entre

50 y 550 .


Se confirma en la experiencia que el circuito

asegura una corriente mxima sobre el diodo

menor a 85mA cuando la alimentacin es de 25V.

La corriente sobre el dispositivo en esta condicin

resulta ser de 41,08mA.

Se calcula el porcentaje de diferencia de cada

medicin de voltaje de salida respecto al voltaje

nominal de 4,7V.

Ambos porcentajes resultaron ser bastante bajos y

admisibles para afirmar que se consigue una

regulacin exitosa para un voltaje de entrada entre

16V y 25V.

C. Fuente DC regulada por zener

Confirmando los clculos realizados, se puede

apreciar en las Figuras 15 -17 un voltaje de rizado

de poco ms de 0,5V y voltajes de salida mayores

a 12.5V. Que estos valores sean mayores a los

esperados puede deberse a que el voltaje

proporcionado por el transformador es mayor al


9

que se us para calcular las capacitancias y

resistencias usadas en las fases de filtrado y

regulacin.

A partir de los voltajes de salida obtenidos a las

diferentes cargas se calculan los porcentajes de

diferencia respecto al valor nominal de regulacin

esperado.

VII. PREGUNTAS SUGERIDAS

Tras finalizar la prctica, Qu nivel de tolerancia otorgara a cada uno de los

diodos zener trabajados?

Al revisar las hojas de datos de los diodos, se encuentra que el diodo C4V7

[1], tiene una tolerancia de estndar de

5% la tolerancia de los otros diodos el

1N4733A y el 1N4742A [2] tambin es

de 5%, estos valores son muy pequeos

y son prcticamente despreciables en

tareas como regulacin de seales,

especialmente si se tienen seales de

entrada con grandes valores de voltaje.

Qu aplicaciones prcticas tiene el diodo zener?

Adems de la utilidad en construccin de fuentes reguladas, los diodos zener

tambin se utilizan en circuitos

recortadores de seales (clampers) como

Figura 18: Circuito recortador de voltaje (Clamper) a

20V por encima y por debajo. [8]

el de la figura 19, en el caso de este

circuito la seal de salida se recorta a

20V por encima y por debajo. Otra

aplicacin es en generadores de ondas

cuadradas, si en el circuito de la figura

17 se pone una fuente de 50V y se usan

zeners de 10V, se obtiene la forma de

onda de la figura 18, que se puede

aproximar como una onda cuadrada.

Figura 19: Formas de onda de entrada (izquierda) y

salida (derecha) del circuito de la Fig.18 con zeners de 10V.

[8]

Para implementar un divisor de voltaje, De acuerdo a la Figura 20 cul de las

dos topologas presentes resulta mejor?

Considerando:

a) La salida del divisor debe tener una

tensin contante con solo un 5% de

tolerancia.

b) La tensin de entrada no es del todo

constante y posee variaciones cercanas al 20

%.

c) Costos.

d) Frecuencia de operacin.

Si el voltaje de entrada de 48V presenta variaciones muy grandes, la red (a) no

resultar muy eficaz para mantener un

voltaje de salida constante. Al

reemplazar la resistencia por el diodo

zener en la red (b), el diodo zener dar

una salida siempre igual a Vz, con una

baja tolerancia (usualmente de 5%

dependiendo del diodo), y simplemente

ignorara las variaciones en la tensin de

entrada. Sin embargo, al tener en cuenta

el costo, resulta ms barato usar una

resistencia que un diodo zener; y si la

red tiene frecuencias muy altas, el diodo

puede presentar limitaciones debido a su

estructura fsica, mientras que la

resistencia no. An as si se trata de

obtener un voltaje de salida, el diodo

zener es ms indicado para este caso.


10

Figura 20: Divisin de tensin. Tomado de: Analog

Applications Journal TI, 2001.

VIII. CONCLUSIONES

Debido a los bajos porcentajes de diferencia entre los voltajes obtenidos en

los reguladores de voltaje y los valores

nominales de los diodos usados, se

puede afirmar que se consigui

exitosamente regular fuentes a un voltaje

determinado bajo cargas y alimentacin variables.

La tensin entregada por el transformador, al diferir de la usada para

calcular los parmetros de la fuente DC

regulada por zener, caus que ciertas

mediciones resultaran ser mayores a las

esperadas.

El uso de un transformador cuyo voltaje de salida corresponda al usado para

realizar el diseo de la fuente disminuira

la amplia diferencia encontrada entre las

mediciones y los voltajes esperados de la

fuente regulada.

Un diodo se comporta como una fuente DC siempre y cuando la corriente en l

est entre los lmites especficados. Esto

es gracias al efecto avalancha, que

permite grandes variaciones en la

corriente sin que el voltaje vare mucho.

IX. REFERENCIAS

[1] Datasheet catalog BZX55-C0V8 THRU BZX55-C75, General Semiconductor. (En linea). Disponible:

http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/GeneralSemicon

ductor/mXyzsvst.pdf

[2] Datasheet catalog 1N4728A - 1N4764A, Good-Ark. (En linea). Disponible:

http://pdf.datasheetcatalog.net/datasheet/good-

ark/1N4744.pdf

[3] A. S. Sedra, "Circuitos Microelectrnicos", Cuarta edicin,

1900, Paris.


1900, Paris. Pgina 190







[8] Boylestad R. Nashelsky L. Electronic Circuits and Circuit

Theory.Prentice Hall.

Autores:

Juan C. Calvera D.

Estudiante Ingeniera Mecatrnica

Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogot

2014

Kevin E. Daz G.



2014

Csar A. Villamizar C.



2014


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ANEXOS

Anexo 1: Grfica de la curva caracterstica del diodo C4V7 obtenida experimentalmente

Electrónica Análoga. Diodo Zener y fuentes reguladas

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