Diodo Zener

Un semiconductor de diodo A bloquea la corriente en la dirección inversa, pero sufrirá averías o daños prematuros si la tensión inversa aplicada se vuelve demasiado alta.

Sin embargo, el diodo Zener o «diodo de avería», como a veces también se les conoce, son básicamente Igual que el diodo de unión PN estándar, pero están especialmente diseñados para tener un bajo y especificado voltaje de ruptura inverso que aprovecha cualquier voltaje inverso que se le aplique.

El diodo Zener se comporta como uno normal de uso general que consiste en una unión PN de silicio y cuando se polariza en la dirección directa, es decir, un ánodo positivo con respecto a su cátodo, se comporta como un diodo de señal normal que pasa la corriente nominal.

Sin embargo, a diferencia de un diodo convencional que bloquea cualquier flujo de corriente a través de sí mismo cuando tiene polarización inversa, es decir, el cátodo se vuelve más positivo que el ánodo, tan pronto como el voltaje inverso alcanza un valor predeterminado, el diodo Zener comienza a conducir en el dirección contraria.

Esto se debe a que cuando el voltaje inverso aplicado a través del diodo Zener excede el voltaje nominal del dispositivo, un proceso llamado Avalanche Breakdown ocurre en la capa de agotamiento del semiconductor y una corriente comienza a fluir a través del diodo para limitar este aumento de voltaje.

La corriente que ahora fluye a través del diodo Zener aumenta dramáticamente hasta el valor máximo del circuito (que generalmente está limitado por una resistencia en serie) y una vez lograda, esta corriente de saturación inversa permanece bastante constante en un amplio rango de voltajes inversos. El punto de voltaje en el que el voltaje a través del diodo Zener se vuelve estable se llama “voltaje Zener”, ( Vz ) y para los diodos Zener este voltaje puede variar desde menos de un voltio hasta unos pocos cientos de voltios.

El punto en el que el voltaje zener activa la corriente que fluye a través del diodo se puede controlar con mucha precisión (a menos del 1% de tolerancia) en la etapa de dopaje de la construcción del semiconductor de diodos, lo que le da al diodo un específico voltaje de ruptura zener, ( Vz ) para ejemplo, 4,3 V o 7,5 V. Este voltaje de ruptura Zener en la curva IV es casi una línea recta vertical.

Características del diodo Zener IV

zener diode characteristics - Diodo Zener - ClasesParaTodos.org

El diodo Zener se utiliza en su modo de «polarización inversa» o de ruptura inversa, es decir, el ánodo del diodo se conecta al suministro negativo. De la curva de características IV anterior, podemos ver que el diodo Zener tiene una región en sus características de polarización inversa de casi un voltaje negativo constante independientemente del valor de la corriente que fluye a través del diodo.

Este voltaje permanece casi constante incluso con grandes cambios en la corriente, siempre que la corriente de los diodos Zener permanezca entre la corriente de ruptura IZ (mín.) Y su corriente nominal máxima IZ (máx).

Esta capacidad del diodo Zener para controlarse a sí mismo se puede utilizar con gran efecto para regular o estabilizar una fuente de voltaje contra variaciones de carga o suministro. El hecho de que el voltaje a través del diodo en la región de ruptura sea casi constante resulta ser una característica importante del diodo Zener, ya que puede usarse en los tipos más simples de aplicaciones de reguladores de voltaje.

La función de un regulador de voltaje es proporcionar un voltaje de salida constante a una carga conectada en paralelo con él a pesar de las ondulaciones en el voltaje de suministro o las variaciones en la corriente de carga. Un diodo Zener continuará regulando su voltaje hasta que los diodos que mantienen la corriente caigan por debajo del valor mínimo IZ (min) en la región de ruptura inversa.

Regulador diodo Zener 

El diodo Zener se puede utilizar para producir una salida de voltaje estabilizada con baja ondulación en condiciones de corriente de carga variables. Al pasar una pequeña corriente a través del diodo desde una fuente de voltaje, a través de una resistencia limitadora de corriente adecuada (RS), el diodo Zener conducirá suficiente corriente para mantener una caída de voltaje de Vout.

Recordamos de los tutoriales anteriores que el voltaje de salida de CC de los rectificadores de media onda o de onda completa contiene una ondulación superpuesta al voltaje de CC y que, a medida que cambia el valor de carga, también lo hace el voltaje de salida promedio. Al conectar un circuito estabilizador Zener simple como se muestra a continuación a través de la salida del rectificador, se puede producir un voltaje de salida más estable.

El regulador de diodo Zener

zener diode regulator - Diodo Zener - ClasesParaTodos.org

El resistor, RS está conectado en serie con el diodo Zener para limitar el flujo de corriente a través del diodo con la fuente de voltaje, VS está conectado a través de la combinación. El voltaje de salida estabilizado Vout se toma a través del diodo Zener.

El diodo Zener está conectado con su terminal de cátodo conectado al riel positivo de la fuente de CC, por lo que tiene polarización inversa y estará operando en su condición de avería. La resistencia RS se selecciona para limitar la corriente máxima que fluye en el circuito.

Sin carga conectada al circuito, la corriente de carga será cero, ( IL = 0 ), y toda la corriente del circuito pasa a través del diodo Zener que a su vez disipa su potencia máxima. Además, un valor pequeño de la resistencia en serie RS dará como resultado una mayor corriente de diodo cuando la resistencia de carga RL esté conectada y sea grande, ya que esto aumentará el requisito de disipación de potencia del diodo, por lo que se debe tener cuidado al seleccionar el valor apropiado de la serie. resistencia para que la potencia nominal máxima del Zener no se exceda en esta condición sin carga o de alta impedancia.

La carga está conectada en paralelo con el diodo Zener, por lo que el voltaje en RL es siempre el mismo que el voltaje Zener, ( VR = VZ ). Existe una corriente zener mínima para la cual la estabilización del voltaje es efectiva y la corriente zener debe permanecer por encima de este valor operando bajo carga dentro de su región de ruptura en todo momento. El límite superior de corriente depende, por supuesto, de la potencia nominal del dispositivo. La tensión de alimentación VS debe ser mayor que VZ.

Un pequeño problema con los circuitos estabilizadores del diodo Zener es que el diodo a veces puede generar ruido eléctrico en la parte superior del suministro de CC cuando intenta estabilizar el voltaje. Normalmente, esto no es un problema para la mayoría de las aplicaciones, pero puede ser necesario agregar un condensador de desacoplamiento de gran valor a través de la salida del Zener para proporcionar un suavizado adicional.

Luego para resumir un poco. Un diodo Zener siempre se opera en su condición de polarización inversa. Como tal, se puede diseñar un circuito regulador de voltaje simple usando un diodo Zener para mantener un voltaje de salida de CC constante a través de la carga a pesar de variaciones en el voltaje de entrada o cambios en la corriente de carga.

El regulador de voltaje Zener consiste en una resistencia limitadora de corriente RS conectada en serie con el voltaje de entrada VS con el diodo Zener conectado en paralelo con la carga RL en esta condición de polarización inversa. El voltaje de salida estabilizado siempre se selecciona para que sea el mismo que el voltaje de ruptura VZ del diodo.

Ejemplo de diodo Zener No.1

Se requiere producir una fuente de alimentación estabilizada de 5.0V a partir de una fuente de entrada de fuente de alimentación de 12V CC. La potencia nominal máxima PZ del diodo Zener es 2W. Usando el circuito regulador Zener anterior, calcule:

A). La corriente máxima que fluye a través del diodo Zener.

zener diode current - Diodo Zener - ClasesParaTodos.org

B). El valor mínimo de la resistencia en serie, RS

zener diode series resistor - Diodo Zener - ClasesParaTodos.org

C). La corriente de carga IL siuna resistencia de carga de 1 kΩ se conecta a través del diodo Zener.

zener diode load current - Diodo Zener - ClasesParaTodos.org

D). La corriente zener IZ a plena carga.

zener current - Diodo Zener - ClasesParaTodos.org

Voltajes de diodo Zener

Además de producir una única salida de voltaje estabilizado, los diodos Zener también se pueden conectar juntos en serie junto con diodos de señal de silicio normales para producir una variedad de valores de salida de voltaje de referencia diferentes como se muestra a continuación:

Diodos Zener conectados en serie

zener diode reference voltage - Diodo Zener - ClasesParaTodos.org

Los valores de los diodos Zener individuales se pueden elegir para adaptarse a la aplicación, mientras que el diodo de silicio siempre caerá alrededor de 0,6 – 0,7 V en la condición de polarización directa. El voltaje de suministro, Vin , por supuesto debe ser más alto que el voltaje de referencia de salida más grande y, en nuestro ejemplo anterior, esto es 19v.

Un típico diodo zener para circuitos electrónicos generales es la serie BZX55 de 500 mW o la serie BZX85 de 1,3W más grande, donde la tensión zener se da como, por ejemplo, C7V5 para un diodo de 7,5 V, lo que da un número de referencia de diodo de BZX55C7V5.

La serie de diodos Zener de 500 mW está disponible desde aproximadamente 2,4 hasta aproximadamente 100 voltios y, por lo general, tiene la misma secuencia de valores que se utiliza para la serie de resistencias del 5% (E24) con las clasificaciones de voltaje individuales para estos diodos pequeños pero muy útiles que se dan en la mesa de abajo.

Diodo Zener estándar, tensiones Zener 

BZX55 Diodo Zener de potencia de 500mW
2.4V2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V
5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V
11V12V13V15V16V18V20V22V
24V27V30V33V36V39V43V47V
BZX85 Zener Diode Régimen de potencia 1.3W
3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.66.2V
6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V
15V16V18V20V22V24V27V30V
33V36V39V43V47V51V56V62V

Circuitos de recorte de diodo Zener

Hasta ahora, hemos visto cómo se puede usar un diodo Zener para regular una fuente de CC constante, pero ¿y si la señal de entrada no fuera CC de estado estable sino una forma de onda de CA alterna? El diodo Zener reacciona a una señal que cambia constantemente.

Los circuitos de recorte y sujeción de diodos son circuitos que se utilizan para dar forma o modificar una forma de onda de CA de entrada (o cualquier sinusoide) produciendo una forma de onda de salida de forma diferente según la disposición del circuito. Los circuitos de corte de diodos también se denominan limitadores porque limitan o cortan la parte positiva (o negativa) de una señal de CA de entrada. Como los circuitos de clipper zener limitan o cortan parte de la forma de onda a través de ellos, se utilizan principalmente para la protección de circuitos o en circuitos de conformación de formas de onda.

Por ejemplo, si quisiéramos recortar una forma de onda de salida a + 7.5V, usaríamos un diodo Zener de 7.5V. Si la forma de onda de salida intenta exceder el límite de 7.5V, el diodo Zener “recortará” el exceso de voltaje de la entrada produciendo una forma de onda con una parte superior plana que aún mantiene la salida constante en + 7.5V. Tenga en cuenta que en la condición de polarización directa, un diodo Zener sigue siendo un diodo y cuando la salida de la forma de onda de CA es negativa por debajo de -0,7 V, el diodo Zener se enciende como lo haría cualquier diodo de silicio normal y recorta la salida a -0,7 V como se muestra abajo.

Señal de onda cuadrada

zener diode square wave signal - Diodo Zener - ClasesParaTodos.org

Los diodos Zener conectados espalda con espalda se pueden usar como un regulador de CA produciendo lo que en broma se llama un «generador de onda cuadrada de los pobres». Con esta disposición podemos recortar la forma de onda entre un valor positivo de + 8.2V y un valor negativo de -8.2V para un diodo Zener de 7.5V.

Entonces, por ejemplo, si quisiéramos recortar una forma de onda de salida entre dos valores mínimos y máximos diferentes de, por ejemplo, + 8V y -6V, simplemente usaríamos dos diodos Zener de clasificación diferente. Tenga en cuenta que la salida recortará la forma de onda de CA entre + 8,7 V y -6,7 V debido a la adición del voltaje del diodo de polarización directa.

En otras palabras, un voltaje pico a pico de 15,4 voltios en lugar de los 14 voltios esperados, ya que la caída de voltaje de polarización directa a través del diodo agrega otros 0,7 voltios en cada dirección.

Este tipo de configuración de cortadora es bastante común para proteger un circuito electrónico de sobrevoltaje. Los dos Zener se colocan generalmente a través de los terminales de entrada de la fuente de alimentación y durante el funcionamiento normal, uno de los diodos Zener está «APAGADO» y los diodos tienen poco o ningún efecto. Sin embargo, si la forma de onda del voltaje de entrada excede su límite, entonces el Zener se enciende y se recorta la entrada para proteger el circuito.

En el próximo tutorial sobre diodos, veremos el uso de la unión PN polarizada hacia adelante de un diodo para producir luz. Sabemos por los tutoriales anteriores que cuando los portadores de carga se mueven a través de la unión, los electrones se combinan con los huecos y la energía se pierde en forma de calor, pero también parte de esta energía se disipa como fotones pero no podemos verlos.

Si colocamos una lente translúcida alrededor de la unión, se producirá luz visible y el diodo se convertirá en una fuente de luz. Este efecto produce otro tipo de diodo conocido comúnmente como diodo emisor de luz que aprovecha esta característica productora de luz para emitir luz (fotones) en una variedad de colores y longitudes de onda.

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