DIODO ZENER

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus caractersticas de polarizacin directa y polarizacin inversa), conducen siempre en el sentido de la flecha.

En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador comn. Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante.

En el grfico se ve el smbolo de diodo zener (A - nodo, K - ctodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa

Se analizar el diodo Zener, no como un elemento ideal, si no como un elemento real y se debe tomar en cuenta que cuando ste se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.

Este componente es capaz de trabajar en dicha regin cuando las condiciones de polarizacin lo determinen y una vez hayan desaparecido stas, recupera sus propiedades como diodo normal, no llegando por este fenmeno a su destruccin salvo que se alcance la corriente mxima de zener Imx indicada por el fabricante.

Lgicamente la geometra de construccin es diferente al resto de los diodos, estribando su principal diferencia en la delgadez de la zona de unin entre los materiales tipo P y tipo N, as como de la densidad de dopado de los cristales bsicos.

Sus parmetros principales son:

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Comportamiento del Zener

Existe otro tipo de diodo, el llamado diodo Zener, cuyas caractersticas en polarizacin directa son anlogas a las del diodo de unin estudiado en la prctica anterior (figura 2 a), pero que en polarizacin inversa se comporta de manera distinta (figura 2 b), lo que le permite tener una serie de aplicaciones que no posea el anterior.

El smbolo circuital se muestra en la figura 1 y su caracterstica tensin-corriente en la figura de abajo

Cuando el diodo esta polarizado inversamente, una pequea corriente circula por l, llamada corriente de saturacin IS, esta corriente permanece relativamente constante mientras aumentamos la tensin inversa hasta que el valor de sta alcanza VZ, llamada tensin Zener (que no es la tensin de ruptura zener), para la cual el diodo entra en la regin de colapso. La corriente empieza a incrementarse rpidamente por el efecto avalancha.

En esta regin pequeos cambios de tensin producen grandes cambios de corriente. El diodo zener mantiene la tensin prcticamente constante entre sus extremos para un amplio rango de corriente inversa.

Obviamente, hay un drstico cambio de la resistencia efectiva de la unin PN.

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Funcionamiento

El zener como componente

Como ha quedado expuesto, el diodo zener est ideado para trabajar con polarizacin inversa, careciendo de inters su funcionamiento en polarizacin directa, que es igual al de cualquier diodo semiconductor.

La siguiente figura corresponde a su caracterstica tensin-corriente, y en ella nos apoyaremos para estudiar su funcionamiento.

Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensin de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeo, pudiendo considerarse constante.

Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta regin se le llama la zona operativa. Esta es la caracterstica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prcticamente constante para una gran variacin de corriente

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Cuando el zener est polarizado inversamente con pequeos valores de tensin se alcanza la corriente inversa de saturacin prcticamente estable y de magnitudes despreciables a efectos prcticos.

Si sigue aumentando la tensin de codo o de giro, donde los aumentos de corriente son considerables frente a los aumentos de tensin (aprciese en torno a esta tensin la curvatura de la grfica). Sobrepasada esta zona a pequeos incrementos de tensin corresponden aumentos elevados de la corriente Iz.

Alcanzada la circunstancia anterior, nos encontraremos en la regin de trabajo efectivo del zener. Debemos hacer ciertas consideraciones en este momento.

1. Se ha de asegurar que en rgimen de trabajo, el diodo sea atravesado como mnimo por una corriente inversa Iz expresada por el fabricante para excluir la regin de giro del funcionamiento normal.

2. No se debe sobrepasar en ningn caso Iz max para asegurar la supervivencia del componente.

3. Estos dos valores de Iz llevan asociados un par de valores de tensin, Vz ; aproximadamente el valor medio de ellos representa la tensin nominal del zener Vz nom

Se suele expresar en las caractersticas un porcentaje de tolerancia sobre la tensin nominal.

4. La potencia disipada en cada momento, Pz vendr expresada por el producto de los valores instantneos de Vz e Iz

5. Los valores de Iz min e Iz max con sus valores de Vz asociados representan la regin de trabajo

En estos momentos estamos en condiciones de asegurar que en la regin de trabajo, el zener es capaz de mantener en sus extremos una tensin considerablemente estable.

El zener como regulador de tensin:

En muchas circunstancias la tensin aplicada a una carga puede sufrir variaciones indeseables que alteren el funcionamiento normal de la misma. Estas variaciones generalmente vienen provocadas por:

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

2. Variaciones de la propia fuente de alimentacin. 3. Por ambas causas.

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

El objeto de este apartado es disear un circuito capaz de conseguirlo, para ellos nos apoyaremos en ejemplos de cada una de las tres posibles situaciones.

Caracterizacin del Zener

El diodo zener viene caracterizado por:

1. Tensin Zener Vz.

2. Rango de tolerancia de Vz. (Tolerancia: C: 5%)

3. Mxima corriente Zener en polarizacin inversa Iz.

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4. Mxima potencia disipada. 5. Mxima temperatura de operacin del zener.

Aplicacin: Regulador Zener.

Una de las aplicaciones ms usuales de los diodos zener es su utilizacin como reguladores de tensin. La figura 4 muestra el circuito de un diodo usado como regulador

Este circuito se disea de tal forma que el diodo zener opere en la regin de ruptura, aproximndose as a una fuente ideal de tensin. El diodo zener est en paralelo con una resistencia de carga RL y se encarga de mantener constante la tensin entre los extremos de la resistencia de carga (Vout=VZ), dentro de unos lmites requeridos en el diseo, a pesar de los cambios que se puedan producir en la fuente de tensin VAA, y en la corriente de carga IL.

Analicemos a continuacin el funcionamiento del circuito.

Consideremos primero la operacin del circuito cuando la fuente de tensin proporciona un valor VAA constante pero la corriente de carga varia. Las corrientes IL = VZ/RL e IZ estn ligadas a travs de la ecuacin:

Por lo tanto, si VAA y VZ permanecen constantes, VR debe de serlo tambin (VR = IT R). De esta forma la corriente total IT queda fijada a pesar de las variaciones de la corriente de carga. Esto lleva a la conclusin de que si IL aumenta, IZ disminuye y viceversa (debido a la ecuacin (1)). En consecuencia VZ no

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permanecer absolutamente constante, variar muy poco debido a los cambios de IZ que se producen para compensar los cambios de IL.

Si ahora lo que permanece constante es la corriente de carga y la fuente de tensin VAA vara, un aumento de sta produce un aumento de IT y IZ por tanto de pues IL permanece constante, y lo contrario si se produjera una disminucin de VAA.

Tendramos lo mismo que antes, una tensin de salida prcticamente constante, las pequeas variaciones se produciran por las variaciones de IZ para compensar las variaciones de VAA

Diseo del Regulador Zener

Es importante conocer el intervalo de variacin de la tensin de entrada (VAA) y de la corriente de carga (IL) para disear el circuito regulador de manera apropiada. La resistencia R debe ser escogida de tal forma que el diodo permanezca en el modo de tensin constante sobre el intervalo completo de variables.

La ecuacin del nodo para el circuito de la figura 4 nos dice que:

Para asegurar que el diodo permanezca en la regin de tensin constante (ruptura), se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada salida:

1. La corriente a travs del diodo IZ es mnima cuando la corriente de carga IL es mxima y la fuente de tensin VAA es mnima.

2. La corriente a travs del diodo IZ es mxima cuando la corriente de carga IL es mnima y la fuente de tensin VAA es mxima

Cuando estas caractersticas de los dos extremos se insertan en la ecuacin (3), se encuentra:

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