DIODO ZENER

CARACTERSTICAS.

Los diodos que trabajan en la zona de ruptura se conocen como diodos zener o diodos de avalancha. Esto es debido a los dos fenmenos que se producen durante su funcionamiento. Para valores inferiores a V Z 5.6V, el diodo de ruptura trabaja bajo el efecto zener.

Para diodos con una tensin de ruptura por encima de 5.6V, trabajan bajo el efecto avalancha.

Estos valores son aproximados, ya que, existe una zona fronteriza entre los 4.7V y 5.6V en los que nos es fcil distinguir bajo qu efecto estn trabajando, ya que depende de la fabricacin de los mismos. En funcin de esto, el modelo matemtico a utilizar en la resolucin de circuitos ser diferente. El efecto bajo el que estn trabajando es dependiente del procedimiento de fabricacin, no comportndose indistintamente de una u otra forma.

Estos fenmenos se deben a una fuerte generacin de portadores en la zona de transicin debido a que la intensidad de campo elctrico alcanza un valor suficientemente grande. En el caso de la ruptura zener , el campo elctrico es suficientemente intenso como para romper directamente los enlaces. Es el mecanismo tpico si Vz 4.5V. En este caso el coeficiente de temperatura es negativo. En el caso de multiplicacin por avalancha, el campo elctrico acelera los portadores que atraviesan la zona de transicin. Algunos chocan y generan ms portadores. Si el campo es suficientemente intenso, los nuevos portadores vuelven a chocar y vuelven a generar ms portadores. Se produce entonces una reaccin en cadena que genera muchsimos portadores, y con ello una fuerte corriente. Es el mecanismo tpico si Vz 5.6V. El coeficiente de temperatura es positivo.

En la siguiente figura se pueden observar las diferentes formas o smbolos esquemticos utilizados para identificar a los diodos zener.

La aplicacin ms habitual del diodo zener es utilizarle en circuitos donde se necesite mantener constante un valor de tensin, en correspondencia con la tensin de ruptura del diodo. Estos valores normalizados se encuentran en las tablas 1 y 2.

Para el funcionamiento como diodo de ruptura o, simplemente, zener su polarizacin es en inversa. Si lo polarizamos en directa, su comportamiento es similar a la de un diodo rectificador normal, con una tensin directa similar a la de un diodo rectificador normal.

Los puntos caractersticos de su curva de funcionamiento se pueden observar en la figura 1. Cabe destacar la zona de funcionamiento en inversa (Reverse), la zona de codo (Knee) y la de funcionamiento con la corriente especificada por el fabricante como corriente zener de test (Zener Test).

Figura N 1: Curva caracterstica de funcionamiento del diodo Zener

Tabla N 1

Tabla N 2

Si deseamos obtener los valores de polarizacin de un zener en un circuito determinado, deberemos obtener primero su recta de carga. Para ello, partiendo del circuito de la figura N 1 y aplicando el clculo de las tensiones de la malla, nos queda :Obteniendo los valores extremos, es decir, cuando vD = 0 y cuando iD = 0, tenemos Estos dos valores nos ofrecen los puntos de corte con los ejes de coordenadas. De la interseccin de esta recta con la curva caracterstica del diodo zener se obtiene el punto de trabajo o de funcionamiento para un circuito en particular.

En la Tabla N 1, se muestran los valores caractersticos de los diodos zener de 0.5W y en la figura N 2, los valores de los diodos zener de 1W. Los elementos de esta tabla son:

Tensin zener e impedancia zener. Corriente zener de test. Impedancia zener y corriente zener en la zona de codo. Tensin y corriente zener en la zona inversa. Sobrecorriente mxima. Corriente mxima admisible en funcionamiento normal. Figura N 2, Circuito polarizado de un diodo Zener

Como se mencion anteriormente, para un funcionamiento del diodo de ruptura como estabilizador de tensin es necesario que est trabajando en zona inversa o polarizado inversamente.

A la hora de comprender mejor el funcionamiento de este componente debemos obtener un modelo matemtico de comportamiento. Para ello, en la figura N 3, se muestra el circuito equivalente de un zener, siendo ste una aproximacin al funcionamiento real, tambin llamado modelo para gran seal. Figura N 3; Modelo para gran seal del diodo Zener

En este modelo de comportamiento, los diodos D, de polarizacin directa e inversa son ideales. A efectos prcticos, en la polarizacin directa slo se considerar la resistencia dinmica en directa RF, y la pila de 0.7V, como si se tratase de un diodo rectificador normal.

Para la polarizacin en inversa, que es la que nos interesa en este momento, consideraremos el valor de Z , que es la impedancia o resistencia zener y la tensin Vzener. Ambos datos los obtenemos de las tablas 1 y 2, dependiendo de la potencia que necesitemos.

Debido a los dos posibles efectos de funcionamiento del diodo de ruptura, la forma de resolver los circuitos tambin es doble. Para el caso de funcionamiento mediante efecto zener, Vz 4.5V, se dice que el diodo zener no utiliza ninguna aproximacin, es decir, la tensin de ruptura del diodo es la indicada por el fabricante, sin ms. Ecuacin N 1

Para el caso del funcionamiento mediante efecto avalancha, se utiliza la primera aproximacin del diodo zener. Es decir, se tiene en cuenta una perturbacin, introduciendo la idea de la impedancia zener como causante de la misma. En este caso el valor de la tensin en bornes del diodo zener es:Ecuacin N 2Siendo el valor de la tensin Vz el indicado por el fabricante, y el otro sumando, el correspondiente a la perturbacin debida al valor de la impedancia zener, Zz, en funcin de la corriente que circule a su travs. Este valor lo deber fijar el diseador.

Para justificar la bondad de funcionamiento del diodo zener y su utilidad en los circuitos electrnicos como estabilizador de tensin, observemos el siguiente circuito.

Figura N 4; Circuito equivalente para obtener el Factor ReguladorSi definimos el factor de regulacin como la relacin entre la variacin de la tensin de salida y la variacin de la tensin de entrada, podremos observar la sensibilidad del circuito para cambios importantes en el valor de la tensin de entrada. Ecuacin N 3

En los que :Ecuacin N 4Ecuacin N 5Sustituyendo las ecuaciones 4 y 5 en el Factor de regulacin, nos queda:Dado que Rs suele ser mucho mayor que Zz, para una variacin importante de tensin a la entrada, sta quedar atenuada a la salida por el factor de regulacin. Ecuacin N 6

Circuito estabilizador con diodo zener Para que el diodo zener funcione como tal debe estar funcionando en la zona de ruptura. La resistencia limitadora para polarizar adecuadamente al diodo la calculamos del circuito de la figura N 4. Al utilizar el zener con la aproximacin y/o resistencia de carga variable y/o tensin de entrada variable, la ecuacin 1 puede variar sus elementos de forma apreciable. Ecuacin N 7

Si estamos trabajando con un diodo zener de ms 5.6V deberemos de tener en cuenta la aproximacin expresada en la ecuacin 3.18 y, partiendo de la ecuacin N 7, si sustituimos los valores que las integran, es decir, ILoad y VD1, nos queda:Reagrupando trminos, nos queda: Ecuacin N 8

Esta ecuacin nos ofrece el valor de la resistencia limitadora del diodo zener con la aproximacin citada, resistencia de carga fija y tensin de entrada fija. Si necesitamos que la entrada de tensin sea variable y la resistencia de carga tambin lo sea, la ecuacin N 8 se convierte en:Ecuacin N 8Indicndonos el mnimo valor que podremos colocar en la resistencia limitadora para que el circuito funcione correctamente. Para un valor inferior de RLim, el circuito puede dejar de funcionar, estropendose el diodo zener por exceso de corriente. De la misma forma, para el caso contrario, nos queda: Ecuacin N 9

Este ser el mximo valor que podremos colocar en la resistencia limitadora para que el circuito funcione correctamente. Para un valor superior de RLim, el zener dejar de estar en zona de ruptura (por falta de corriente) y la tensin de salida no estar regulada, aunque el diodo zener no se estropear.

Analizados los elementos que componen una fuente de alimentacin regulada, nos queda abordar el clculo completo de algunas de ellas.

El diodo Zener se utiliza para mantener un voltaje de referencia constante, mientras que la corriente que circula a travs suyo est comprendida entre Izmn e Izmx. El valor de RS para que el regulador trabaje adecuadamente (sin carga) ser:MXIMOMNIMOdonde RSmn RS RSmx.Caso prctico, determinar el valor de la resistencia serial para generar el rango de funcionamiento del Zener como regulador de tensin de salida en Vz.

El anlisis de redes que emplea diodos Zener es muy parecido al anlisis de diodos semiconductores en secciones anteriores. En primer lugar se debe determinar el estado del diodo y luego se sustituye el modelo apropiado y se determinan las dems cantidades desconocidas de la red. La figura 2.102 repasa los circuitos equivalentes aproximados en cada regin de un diodo Zener suponiendo aproximaciones de lnea recta en cada punto de ruptura. Observe que se incluye la regin de polarizacin directa porque de vez en cuando una aplicacin tambin pasar por alto esta regin.

Los dos primeros ejemplos demuestran cmo se puede utilizar un diodo Zener para establecer niveles de voltaje de referencia y actuar como un dispositivo de proteccin. Entonces, el uso de un diodo Zener como regulador se describir en detalle porque es una de sus principales reas de aplicacin. Un regulador es una combinacin de elementos diseados para garantizar que el voltaje de salida de una fuente permanezca ms o menos constante.EJEMPLO 2.24 Determine los voltajes de referencias provistos por la red de la figura 2.103, la cual utiliza un LED blanco para indicar que est encendida. Cul es el nivel de la corriente a travs del LED y la potencia suministrada por la fuente? Cmo consume el LED la potencia en comparacin con el diodo Zener de 6 V?

Solucin: En primer lugar debemos comprobar que el voltaje aplicado es suficiente para encender todos los elementos de diodos en serie. El LED blanco tendr una cada de alrededor de 4 V a travs de l; los diodos Zener de 6 V y 3.3 V hacen un total de 9.3 V, y el diodo de silicio polarizado en directa tiene 0.7 V para un total de 14 V. Entonces los 40 V aplicados bastan para encender todos los elementos y, esperamos, establecer una corriente de operacin apropiada.Observe que se utiliz el diodo de silicio para crear un voltaje de referencia de 4 V debido a que:Vo1 = VZ2 + VK = 3.3 V + 0.7 V = 4.0 VSi el voltaje del diodo Zener de 6 V se combina con los 4 V el resultado esVo2 = Vo1 + VZ1 = 4 V + 6 V = 10 VPor ltimo, los 4 V a travs del LED blanco producirn un voltaje de 40 V 14 V 26 V atravs del resistor, y:que producirn la brillantez apropiada pare el LED.

La potencia suministrada por la fuente es el producto del voltaje alimentado por la corriente drenada como sigue:Ps = EIs = EIR = 140 V2120 mA2 = 800 mWLa potencia consumida por el LED esPLED = VLEDILED = 14 V2120 mA2 = 80 mWy la potencia demandada por el diodo Zener de 6 V es:PZ = VZ IZ = 16 V2120 mA2 = 120 mWLa potencia demandada por el diodo Zener supera la del LED por 40 mW.

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