INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

COMUNICACIONES Y ELECTRONICA

UNIDAD ZACATENCO

PRACTICA “04”

“DIODO ZENER”

ING. REYES AQUINO JOSÉ

DISPOSITIVOS

5CV9

Diodo Zener

Objetivos:

1. Obtener y comparar las curvas características (V-I), d etres diodos Zener con diferentes voltajes de ruptura, en cada caso, medir el voltaje de umbral y el voltaje Zener. Determinar las resistencias estatocas y dinamicas de la región directa de conducción ()En un punto QD y en la región de ruptura Zener (9En el punto de operación Qz).

2. Observar y reportar la svariaciones que s epresentan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en el voltaje de ruptura de los tres diodos Zener, por el efecto del aumento en la tempoeratura ambiente.

3. Observar y reportar las variaciones que presenta el voltaje Zener (Voltaje de salida del circuito), cuando se presentan variaciones del voltaje de entrada y de la corriente en la carga (RL), en el circuito típico regulador de voltaje paralelo con Zener.

Desarrollo Experimental.

Conceptos Basicos:

Diodo Zener.

Un diodo Zener, es un diodo de de silicio que se ha contruido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos d eavalancha o de ruptura, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión d ered, d ela resistencia de carga y de temperatura.

El diodo Zener se representa en los esquemas con el siguiente símbolo:

Resistencia Zener

Un diodo Zener, como cualquier diodo, tiene una cirta resistencia interna en sus zonas P y N; al circular una corriente a travez de este se produce una pequeña cida de tensión d ruptura.

En otras palabras: si un diodo Zener esta funcionando en la zona zener, un aumento enla corriente producirá u ligero aumento en la tensión. El incremento es muy pequeño, generalmente de una decima de voltio.

Los didos Zener mantienen la tensión entre sus terminales prácticamente constante, cuando están polarizados inversamente, en un amplio rango de intensidades y temperaturas, por ello, este tipo de diodos se emplean en circuitos estabilizadores o reguladores de la tensión tal como el mostrado en la figura.

Eligiendo la resistencia R y las características del diodo se pueden lograr que la tensión en la carga (RL) permanezcan contante dentro del rango de variación de la tensión de entrada Vs.

R

+IR Vz

Vs IZ RL

IL

-

Para elegir la resistencia limitadora R adecuada hay que calcular primero cual puede se su valor máximo y minimo, después elegiremos una resistenia R que se adecue a nuestris cálculos.

Rmin=¿ V smax−VzIl min+ ILmax

Rmax= V smin−VzIlmax+ Izmin

Donde:

-Rmin es el valor mínimo de la resistencia limitadora.-Rmax es el valor máximo de la resistencia limitadora.-Vsmax es el valor máximo de la tensión de entrada.-Vsmin es el valor mínimo de la tensión de entrada.-Vz es la tensión Zener.-ILmin es la mínima intensidad que se puede circular por la carga, en ocasiones si la carga es desconectable, ILmin suele tomar valor 0.-Ilmax es la máxima intensidad que soporta la carga.

-Izmax es la máxima intensidad que soporta el diodo Zener-Izmin es la mínima intensidad que necesita el diodo zener para mantenerse dentro de su zona zener o conducción en inversa.

La resistencia que elijamos debe estar comprendida entre los dos resultados que hemos obtenido.

Material

Osciloscopio doble trazoGenerador de señalesMultimetroFuente d evoltaje reguladaUna pinza de corte 6 cables caimán-caiman de 50 cm.6 cables banana-caiman de 50 cm.6 cables banana-banana de 50 cm.4 cables coaxiales qu tengan en un extromo la terminación bnc y en el otro caimanesUn Protoboard1 Diodo Zener con voltaje de ruptura de 3.9 V a ½ watt1 Diodo Zener con voltaje de ruptura de 9.1 V a ½ watt1Diodo zener con voltaje de ruptura de 5.6V a ½ watt1 Resistor de 1KΩ a ½ watt2 Resistores de 330Ω a 2 watt1 Resistor de 10KΩ a ½ watt1 Resistor de 22KΩ a ½ watt1 Resistor de 560Ω a 2 watt1 Resistor de 220Ω a 2 watt1 Resistor de 100Ω a 2 watt1 encendedor.

Experimentos:

1. Obtener y comparar las curvas características (v-I), de tres diodos zener de diferentes voltajes de ruptura, en cada caso medir el voltaje de umbral y el voltaje zener. Determinar las resistencias estáticas y dinámicas e la región directa de conducción (en un punto de operación QD ) y en la región de ruptura zener (en punto de operación QZ).

Armar el circuito mostrado en la figura 1, colocar el diodo de 3.9v y obtener la curva característica, medir y reportar en la tabla 1 el voltaje de umbral y el voltaje de ruptura del diodo, dibujar la curva característica que se tiene en el osciloscopio (usando en su modo XY), mediante las graficas reportadas posteriormente en casa determinar la resistencia estática y

dinámica tanto en la región directa de conducción en un punto de operación QD, asi como, en la región de ruptura en un punto de operación QZ. Repetir estos pasos para el diodo de 5.6V y luego para el de 9.1V Nota: Para cada diodo Zener antes de quitarlo realizar las mediciones indicadas en el punto 3.

Figura 1.a… Circuito propuesto para obtener la curva característica del diodo zener

Figura 1.b…Curva característica V-I de un diodo Zener

Figura 1

Diodo Zener

Voltaje Umbral VU(v) Voltaje de ruptura VZ (V)

Medición AT=TA

Medición AT>TA

Medición AT=TA

Medición AT>TA

Diodo 1(3.9V)

0.7 0.4 3.9 3.4

Diodo 2 0.6 0.4 5.4 5.0

(5.6V)Diodo 3 (9.1V)

0.7 0.2 8.8 9.6

Tabla 1 Voltaje de umbral y voltaje de ruptura de tres diodos zener medido a T=TA y a T>TA

Figura 2.a..Grafica del diodo 1 (Vz=3.9V)

Figura 2.b gráfica del diodo 2 (Vz= 5.6v)

Figura 2.c gráfica del diodo 3 (Vz= 9.1 v)

3. Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en el voltaje de ruptura de los tres diodos zener, por el efecto del aumento en la temperatura ambiente.

Usando el mismo circuito de la figura 1, observar y reportar en la tabla 1 la variación que presenta el voltaje de ruptura y el voltaje de umbral cuando aumenta la temperatura ambiente, para lograr este aumento, acercar un cerillo encendido o la punta caliente e de un cautín, al diodo bajo prueba por espacio no mayor a 5 seg. Realizar esta medición para cada uno de los diodos en el orden marcado en el punto anterior.

4. observar y reportar las variaciones que presenta el voltaje zenner (voltaje de salida del circuito), cuando se presentan variaciones del voltaje de entrada y de la corriente en la carga (RL), en el circuito típico regulador de voltaje paralelo con zenner.

4.1. Armar el circuito mostrado en la figura 3 (regulador de voltaje paralelo con diodo zenner) y reportar las variaciones que presenta el voltaje zenner y las variaciones de la corriente en la carga, cuando se varía el voltaje en la entrada. Variar el voltaje de la fuente “E” desde 0 hasta 20 volts y reportar las mediciones de voltaje y corriente que se indican en el circuito en la tabla 2.

Tabla 2 variaciones del voltaje zenner (voltaje a la salida del regulador) y de la corriente en la carga (RL) para el diodo con ruptura de 5.6v cuando varia el voltaje 4n la entrada del circuito regulador.

4.2. Armar el circuito de la figura 4, medir y reportar en la tabla 3 las variaciones que se tengan para el voltaje de ruptura del dodo (voltaje a la salida del regulador) y para la corriente de carga (RL) cuando se presentan variaciones en la resistencia de carga.

Resistencia en la carga (Ω)

Voltaje en el zener (V) Corriente en la carga (mA)

Circuito abierto (resistencia infinita)

22k 5.58 6510k 5.58 11k 5.60 0.1

0.56k 5.5 5

Voltaje en la entrada Voltaje en el zenner (V)

Corriente en la carga (mA)

0 0 02 0.99 15 2.45 58 3.94 14

11 5.19 1714 5.41 1817 5.49 1820 5.47 19

0.33k 5.53 190.22k 5.54 270.10k 4.6 25

Tabla 3 variaciones del voltaje de ruptura del diodo zener (voltaje a la salida) y de la corriente en la carga (RL) en un circuito regulador de voltaje para diferentes resistencias de carga.

Cuestionario

1. Usando el diodo zenner 9.1 V dibuje la curva característica que se obtendría en el osciloscopio, si el voltaje pico de la señal de entrada fuera de 5V. Explique por que de la curva.

Como el voltaje de entrada es de 5 V y el zener trabaja a 9.1 no habrá ruptura y no entrara en la zona de conducción, por lo tanto se comportara como

2. De los tres diodos zenner que utilizo en los experimentos ¿cuál de ellos presento coeficiente de temperatura positivo, cual negativo y cual aproximadamente cero, explique por qué?

Pues el 3.9 V tiene coeficiente de temperatura negativo por el voltaje pequeño que maneja eso le hace q al ponerle calor el coeficiente de temperatura sea negativo, el 5.6 es el casi que presenta coeficiente de temperatura casi igual a cero y el 9.1 es el que maneja coeficiente de temperatura positivo.

3. ¿Qué tipo de portadores generan la ruptura zenner? ¿en qué condiciones de impurificación se presente esta ruptura?

Debido a los portadores minoritarios y en las condiciones de alta contaminación y al barrera es más angosta, al ser de más angosta es mayor la probabilidad de tuneleo (efecto túnel).

4. ¿Cuál o cuáles de los tres diodos usados, presenta ruptura tipo zenner (tuneleo de la barrera de potencial)? Explique

Los tres diodos presentan ruptura tipo zener ya que menor de 10 volts trabaja con alta contaminación y más de 10 trabajan con baja contaminación.

5. Diga: ¿Qué curva característica obtendría en el osciloscopio para el circuito de la figura 1, en caso de que se colocara en paralelo los tres diodos zenner? Dibújela y explique

La curva depende una vez más del voltaje de entrada al circuito pero en este caso como el voltaje si es suficiente para romper a cada diodo individualmente, debido a q se encuentran en paralelo, los diodos si entran en conducción.

6.-Dibuje la curva característica que se obtendría en el osciloscopio, para el circuito de la figura 1, en caso de que colocara en serie los 3 diodos Zener dibújela y explíquela.

La gráfica depende de que el voltaje de entada sea lo suficientemente grande para pasar el voltaje de ruptura zener para los tres diodos al mismo tiempo y en este caso como el voltaje es de 10 volts no lo rompe.

7.-Determine la resistencia estática en la región directa de conducción para cada uno de los diodos zener usados en el punto 3, considerando un punto de operación con corriente de 2mA.

Periodo de 3.9V: (3.9V)/(2mA)=1950

Periodo de 5.6V: (5.6V)/(2mA)=2800

Periodo de 9.1V:(9.1V)/(2mA)=4550

8.-detremine la resistencia estática en la región directa de conducción, para cada uno de los diodos zener usados en el punto 3, compare los 3 cálculos e indique cuál de ellos tiende a comportarse mejor como regulador de voltaje. Explique, (para un punto de operación con corriente de 2mA)

Como los 3 diodos son de silicio el voltaje necesario para entrar en conducción en la región directa es de 0.7V por lo tanto la resistencia será:

R=(0.7V)(2mA)=359 Ohms

Por lo tanto es una resistencia pequeña la cual no se opondrá a cambios bruscos de voltaje de entrada por lo tanto la mejor región para la regulación es en la región de polarización inversa.

9.-En el circuito regulador de voltaje de la figura 3, si el voltaje de la señal de entrada es 20V, realice los cálculos necesarios para determinar a corriente que circula por el diodo zener en una situación, compare con el valor medido en la tabla 3.

Por thevenin saemos que la corriente en la resistencia limitadora Rs es:

Obteniendo la corriente y la corriente en la carga podremos utilizar la ley de kirchhoff de corrientes para obt5ener las corrientes en los diodos.

Por lo tanto:

Para diodo de 3.9V: lz=36.97mA

Para diodo de 5.6V:lz=26.67mA

Para diodo de 9.1V: lz=5.46mA

10.- Cual sería la corriente que circularía por el diodo zener, para el mismo voltaje de 20V a la entrada, si la resistencia de carga fuera circuito abierto.

Sería la misma corriente en la resistencia limitadora, que en este caso particular será:

Para diodo de 3.9V:lz=48.78mA

Para el diodo de 5.6V:lz= 43.63mA

Para el diodo de 9.1V:lz= 33.03mA

11.-Determine la potencia que deberá disipar el diodo zener en la condición marcada en el punto anterior.

Para diodo de 3.9 V : Pz=(48.78mA)(3.9V)=190.24mW

Para diodo de 5.6 V: Pz=(43.63mA)(5.6V)=244.32mW

Para diodo de 9.1V: Pz=(33.03mA)(9.1V)=300.57mW

12.-Para el circuito regulador de voltaje paralelo de la figura 4, determine el valor más pequeño de las resistencias de carga, que permite que la regulación

se mantenga. Determine el máximo valor de la corriente en la resistencia de carga.

14. Dibuje la grafica de resistencia de carga contra voltaje de salida con los datos de la tabla 3.

15 Proponga un circuito recortador de voltaje con diodo zenner, que recorre la señal negativa en 5V y la positiva en 0.7 v

16. Proponga un circuito recortador de voltaje con diodo zenner, que recorte la señal negativa y positiva en 9.1v

17. Anote sus conclusiones

Mediante la práctica se pudo comprobar que el diodo zener si se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador e inversamente polarizado mantiene entre sus terminales un voltaje constante.

Además se pudo comparar las curvas características de los diferentes diodos con sus respectivos voltajes (umbral y ruptura).