3.11: ¿Qué son los diodos Zener?

¿Qué es un diodo Zener?

Un diodo Zener es un tipo especial de diodo rectificador que puede manejar la avería debido a la tensión de ruptura inversa sin fallar completamente. Aquí discutiremos el concepto de usar diodos para regular la caída de voltaje y cómo el diodo Zener opera en modo de polarización inversa para regular voltaje en un circuito.

Cómo regulan los diodos la caída de voltaje

Si conectamos un diodo y una resistencia en serie con una fuente de voltaje de CC para que el diodo esté polarizado hacia delante, la caída de voltaje a través del diodo permanecerá bastante constante en una amplia gama de voltajes de fuente de alimentación como en la Figura a continuación (a).

La corriente a través de una unión PN con polarización directa es proporcional a e elevada a la potencia de la caída de tensión directa. Debido a que esta es una función exponencial, la corriente aumenta bastante rápidamente para aumentos modestos en la caída de voltaje.

Otra forma de considerar esto es decir que el voltaje caído a través de un diodo polarizado hacia delante cambia poco para grandes variaciones en la corriente del diodo. En el circuito que se muestra en la figura siguiente (a), la corriente del diodo está limitada por el voltaje de la fuente de alimentación, la resistencia en serie y la caída de voltaje del diodo, que como sabemos no varía mucho de 0.7 voltios.

Referencia de Si polarizada hacia delante: (a) diodo único, 0.7V, (b) 10-diodos en serie 7.0V.

Si se aumentara el voltaje de la fuente de alimentación, la caída de voltaje de la resistencia aumentaría casi la misma cantidad, y el voltaje del diodo caería solo un poco. Por el contrario, una disminución en el voltaje de la fuente de alimentación resultaría en una disminución casi igual en la caída de voltaje de la resistencia, con solo una pequeña disminución en la caída de voltaje de

En una palabra, podríamos resumir este comportamiento diciendo que el diodo está regulando la caída de voltaje a aproximadamente 0.7 voltios.

El uso de la regulación de voltaje

La regulación de voltaje es una propiedad útil de diodo para explotar. Supongamos que estábamos construyendo algún tipo de circuito que no pudiera tolerar variaciones en el voltaje de la fuente de alimentación, pero necesitaba ser alimentado por una batería química, cuyo voltaje cambia a lo largo de su vida útil. Podríamos formar un circuito como se muestra arriba y conectar el circuito que requiere voltaje constante a través del diodo, donde recibiría un inmutable 0.7 voltios.

Esto ciertamente funcionaría, pero la mayoría de los circuitos prácticos de cualquier tipo requieren un voltaje de fuente de alimentación superior a 0.7 voltios para funcionar correctamente. Una forma en que podríamos aumentar nuestro punto de regulación de voltaje sería conectar múltiples diodos en serie para que sus caídas de voltaje directo individuales de 0.7 voltios cada uno se sumarían para crear un total mayor.

Por ejemplo, en nuestro ejemplo anterior (b), si tuviéramos diez diodos en serie, el voltaje regulado sería diez veces 0.7, o 7 voltios.

Siempre y cuando el voltaje de la batería nunca se hundiera por debajo de los 7 voltios, siempre habría alrededor de 7 voltios caídos a través de la “pila” de diez diodos.

Cómo los diodos Zener regulan el voltaje

Si se requieren voltajes regulados mayores, podríamos usar más diodos en serie (una opción poco elegante, en mi opinión) o probar un enfoque fundamentalmente diferente.

Sabemos que el voltaje directo del diodo es una cifra bastante constante bajo una amplia gama de condiciones, pero también lo es el voltaje de ruptura inverso. El voltaje de ruptura suele ser mucho, mucho mayor que el voltaje directo.

Si invertimos la polaridad del diodo en nuestro circuito regulador de un solo diodo y aumentamos el voltaje de la fuente de alimentación hasta el punto en que el diodo se “descompuso” (es decir, ya no podría soportar el voltaje de polarización inversa impreso a través de él), el diodo regularía de manera similar el voltaje en esa ruptura punto, no permitiendo que aumente aún más. Esto se muestra en la figura siguiente (a).

(a) El diodo de señal pequeña de Si polarizado inverso se descompone a aproximadamente 100V. b) Símbolo para diodo Zener.

Desafortunadamente, cuando los diodos rectificadores normales “se descomponen”, suelen hacerlo de manera destructiva. Sin embargo, es posible construir un tipo especial de diodo que pueda manejar la avería sin fallar por completo. Este tipo de diodo se denomina diodo Zener, y su símbolo se muestra en la figura anterior (b).

Cuando están polarizados hacia adelante, los diodos Zener se comportan de manera muy similar a los diodos rectificadores estándar: tienen una caída de voltaje directa que sigue la “ecuación de diodo” y es de aproximadamente 0.7 voltios. En modo de polarización inversa, no conducen hasta que el voltaje aplicado alcanza o excede el llamado voltaje Zener, momento en el que el diodo es capaz de conducir una corriente sustancial, y al hacerlo intentará limitar el voltaje caído a través de él a ese punto de voltaje Zener. Siempre y cuando la potencia disipada por esta corriente inversa no supere los límites térmicos del diodo, el diodo no se verá perjudicado. Por esta razón, a los diodos Zener a veces se les conoce como “diodos de ruptura”.

Circuito de diodo Zener

Los diodos Zener se fabrican con voltajes Zener que van desde unos pocos voltios hasta cientos de voltios. Este voltaje Zener cambia ligeramente con la temperatura, y al igual que los valores comunes de resistencia de composición de carbono, puede tener entre 5 por ciento y 10 por ciento de error de las especificaciones del fabricante. Sin embargo, esta estabilidad y precisión es generalmente lo suficientemente buena para que el diodo Zener se use como un dispositivo regulador de voltaje en el circuito de fuente de alimentación común en la Figura a continuación.

Circuito regulador de diodo Zener, voltaje Zener = 12.6V

Por favor, tome nota de la orientación del diodo Zener en el circuito anterior: el diodo tiene polarización inversa, e intencionalmente así. Si hubiéramos orientado el diodo de la manera “normal”, para estar polarizado hacia adelante, solo bajaría 0.7 voltios, al igual que un diodo rectificador regular. Si queremos explotar las propiedades de ruptura inversa de este diodo, debemos operarlo en su modo de polarización inversa. Mientras el voltaje de la fuente de alimentación permanezca por encima del voltaje Zener (12.6 voltios, en este ejemplo), el voltaje caído a través del diodo Zener permanecerá en aproximadamente 12.6 voltios.

Como cualquier dispositivo semiconductor, el diodo zener es sensible a la temperatura. La temperatura excesiva destruirá un diodo zener, y debido a que baja voltaje y conduce corriente, produce su propio calor de acuerdo con la Ley de Joule (P=IE). Por lo tanto, se debe tener cuidado de diseñar el circuito regulador de tal manera que no se supere la clasificación de disipación de potencia del diodo. Curiosamente, cuando los diodos Zener fallan debido a una disipación de potencia excesiva, generalmente fallan en cortocircuito en lugar de abrirse. Un diodo que falló de esta manera es fácilmente detectado: cae casi cero voltaje cuando está polarizado de cualquier manera, como un trozo de cable.

Examinemos matemáticamente un circuito regulador de diodo Zener, determinando todos los voltajes, corrientes y disipaciones de potencia. Tomando la misma forma de circuito mostrado anteriormente, realizaremos cálculos asumiendo un voltaje Zener de 12.6 voltios, un voltaje de fuente de alimentación de 45 voltios y un valor de resistencia en serie de 1000 Ω (consideraremos que el voltaje Zener es exactamente 12.6 voltios para evitar tener que calificar todas las cifras como” aproximado” en la figura siguiente (a)

Si el voltaje del diodo Zener es de 12.6 voltios y el voltaje de la fuente de alimentación es de 45 voltios, habrá 32.4 voltios caídos a través de la resistencia (45 voltios - 12.6 voltios = 32.4 voltios). 32.4 voltios caídos a través de 1000 Ω da 32.4 mA de corriente en el circuito. (Figura a continuación (b))

(a) Regulador de voltaje Zener con resistencia de 1000 Ω. b) Cálculo de caídas de tensión y corriente.

La potencia se calcula multiplicando la corriente por voltaje (P=IE), así podemos calcular las disipaciones de potencia tanto para la resistencia como para el diodo Zener con bastante facilidad:

Un diodo Zener con una potencia nominal de 0.5 vatios sería adecuado, al igual que una resistencia nominal para 1.5 o 2 vatios de disipación.

Si la disipación de potencia excesiva es perjudicial, entonces ¿por qué no diseñar el circuito para la menor cantidad de disipación posible? ¿Por qué no solo dimensionar la resistencia para obtener un valor de resistencia muy alto, limitando así severamente la corriente y manteniendo las cifras de disipación de potencia muy bajas? Tomemos este circuito, por ejemplo, con una resistencia de 100 kΩ en lugar de una resistencia de 1 kΩ. Tenga en cuenta que tanto el voltaje de la fuente de alimentación como el voltaje Zener del diodo en la Figura a continuación son idénticos al último ejemplo:

Regulador Zener con resistor de 100 kΩ.

Con solo 1/100 de la corriente que teníamos antes (324 µA en lugar de 32.4 mA), ambas cifras de disipación de potencia deberían ser 100 veces menores:

Parece ideal, ¿no? Menos disipación de energía significa temperaturas de funcionamiento más bajas tanto para el diodo como para la resistencia, y también menos energía desperdiciada en el sistema, ¿verdad? Un valor de resistencia más alto sí reduce los niveles de disipación de energía en el circuito, pero, desafortunadamente, introduce otro problema. Recuerde que el propósito de un circuito regulador es proporcionar un voltaje estable para otro circuito. En otras palabras, eventualmente vamos a alimentar algo con 12.6 voltios, y este algo tendrá un consumo de corriente propio. Considera nuestro primer circuito regulador, esta vez con una carga de 500 Ω conectada en paralelo con el diodo Zener en la Figura siguiente.

Regulador Zener con resistencia serie 1000 Ω y carga de 500 Ω.

Si se mantienen 12.6 voltios a través de una carga de 500 Ω, la carga extraerá 25.2 mA de corriente. Para que la resistencia de “caída” de la serie de 1 kΩ baje 32.4 voltios (reduciendo el voltaje de la fuente de alimentación de 45 voltios a 12.6 a través del Zener), aún debe conducir 32.4 mA de corriente. Esto deja 7.2 mA de corriente a través del diodo Zener.

Ahora considere nuestro circuito regulador de “ahorro de energía” con la resistencia de caída de 100 kΩ, entregando potencia a la misma carga de 500 Ω. Lo que se supone que debe hacer es mantener 12.6 voltios a través de la carga, al igual que el último circuito. No obstante, como veremos, no puede cumplir con esta tarea. (Figura abajo)

No regulador Zener con resistencia serie 100 KΩ con carga de 500 Ω.

Con el mayor valor de resistencia de caída en su lugar, solo habrá aproximadamente 224 mV de voltaje a través de la carga de 500 Ω, ¡mucho menos que el valor esperado de 12.6 voltios! ¿Por qué es esto? Si realmente tuviéramos 12.6 voltios a través de la carga, tomaría 25.2 mA de corriente, como antes. Esta corriente de carga tendría que pasar por la resistencia de caída en serie como lo hacía antes, pero con una nueva (¡mucho más grande!) cayendo la resistencia en su lugar, el voltaje cayó a través de esa resistencia con 25.2 mA de corriente que lo atraviesa sería ¡2,520 voltios! Como obviamente no tenemos tanto voltaje suministrado por la batería, esto no puede suceder.

La situación es más fácil de comprender si retiramos temporalmente el diodo Zener del circuito y analizamos el comportamiento de las dos resistencias solas en la Figura siguiente.

No regulador con Zener eliminado.

Tanto la resistencia de caída de 100 kΩ como la resistencia de carga de 500 Ω están en serie entre sí, dando una resistencia total del circuito de 100.5 kΩ. Con un voltaje total de 45 voltios y una resistencia total de 100.5 kΩ, la Ley de Ohm (I=E/R) nos dice que la corriente será de 447.76 µA. Calculando caídas de voltaje a través de ambas resistencias (E=IR), llegamos a 44.776 voltios y 224 mV, respectivamente. Si tuviéramos que volver a instalar el diodo Zener en este punto, también “vería” 224 mV a través de él, estando en paralelo con la resistencia de carga. Esto está muy por debajo del voltaje de ruptura Zener del diodo y por lo tanto no se “descompondrá” y conducirá la corriente. ¡Para el caso, a esta baja tensión el diodo no conduciría incluso si estuviera polarizado hacia adelante! De esta manera, el diodo deja de regular la tensión. Se deben caer al menos 12.6 voltios para “activarlo”.

La técnica analítica de extraer un diodo Zener de un circuito y ver si hay o no suficiente voltaje para que conduzca es una técnica sonora. ¡El hecho de que un diodo Zener esté conectado en un circuito no garantiza que el voltaje Zener completo siempre se caiga a través de él! Recuerde que los diodos Zener funcionan limitando el voltaje a algún nivel máximo; no pueden suplir la falta de voltaje.

En resumen, cualquier circuito regulador de diodo Zener funcionará siempre y cuando la resistencia de la carga sea igual o mayor que algún valor mínimo. Si la resistencia de carga es demasiado baja, extraerá demasiada corriente, bajando demasiado voltaje a través de la resistencia de caída en serie, dejando un voltaje insuficiente a través del diodo Zener para que conduzca. Cuando el diodo Zener deja de conducir corriente, ya no puede regular el voltaje, y el voltaje de carga caerá por debajo del punto de regulación.

Sin embargo, nuestro circuito regulador con la resistencia de caída de 100 kΩ debe ser bueno para algún valor de resistencia de carga. Para encontrar este valor aceptable de resistencia a la carga, podemos usar una tabla para calcular la resistencia en el circuito serie de dos resistencias (sin diodo), insertando los valores conocidos de voltaje total y caída de resistencia de resistencia, y calculando para un voltaje de carga esperado de 12.6 voltios:

Con 45 voltios de voltaje total y 12.6 voltios a través de la carga, deberíamos tener 32.4 voltios a través de R _cayendo:

Con 32.4 voltios a través de la resistencia de caída, y 100 kΩ de resistencia en ella, la corriente a través de ella será 324 µA:

Al ser un circuito en serie, la corriente es igual a través de todos los componentes en un momento dado:

Calcular la resistencia a la carga es ahora una simple cuestión de la Ley de Ohm (R = E/I), lo que nos da 38.889 kΩ:

Por lo tanto, si la resistencia de carga es exactamente 38.889 kΩ, habrá 12.6 voltios a través de ella, diodo o ningún diodo. Cualquier resistencia de carga menor a 38.889 kΩ dará como resultado un voltaje de carga inferior a 12.6 voltios, diodo o ningún diodo. Con el diodo en su lugar, el voltaje de carga se regulará a un máximo de 12.6 voltios para cualquier resistencia de carga superior a 38.889 kΩ.

Con el valor original de 1 kΩ para la resistencia de caída, nuestro circuito regulador pudo regular adecuadamente el voltaje incluso para una resistencia de carga tan baja como 500 Ω. Lo que vemos es una compensación entre la disipación de potencia y la resistencia de carga aceptable. La resistencia de caída de mayor valor nos dio menos disipación de potencia, a expensas de elevar el valor de resistencia de carga mínima aceptable. Si deseamos regular el voltaje para resistencias de carga de bajo valor, el circuito debe estar preparado para manejar una mayor disipación de potencia.

Los diodos Zener regulan el voltaje actuando como cargas complementarias, extrayendo más o menos corriente según sea necesario para garantizar una caída de voltaje constante a través de la carga. Esto es análogo a regular la velocidad de un automóvil frenando más que variando la posición del acelerador: no sólo es derrochador, sino que los frenos deben construirse para manejar toda la potencia del motor cuando las condiciones de conducción no lo exigen. A pesar de esta ineficacia fundamental del diseño, los circuitos reguladores de diodo Zener son ampliamente empleados debido a su pura simplicidad. En aplicaciones de alta potencia donde las ineficiencias serían inaceptables, se aplican otras técnicas de regulación de voltaje. Pero incluso entonces, a menudo se utilizan pequeños circuitos basados en Zener para proporcionar un voltaje de “referencia” para impulsar un circuito amplificador más eficiente que controla la potencia principal.

Los diodos Zener se fabrican en clasificaciones de voltaje estándar enumeradas en la Tabla a continuación. La tabla “Voltajes de diodo Zener comunes” enumera voltajes comunes para partes de 0.3W y 1.3W. La potencia corresponde al tamaño de la matriz y paquete y es la potencia que el diodo puede disipar sin daños.

Cortador de diodos Zener: Un circuito de recorte que recorta los picos de forma de onda aproximadamente a la tensión Zener de los diodos. El circuito de la Figura a continuación tiene dos Zeners conectados en serie opuestos a recortar simétricamente una forma de onda a casi el voltaje Zener. La resistencia limita la corriente extraída por los Zeners a un valor seguro.

El voltaje de ruptura Zener para los diodos se establece en 10 V por el parámetro de modelo de diodo “bv=10” en la lista de redes de especias en la Figura anterior. Esto hace que los Zeners se corten a aproximadamente 10 V. Los diodos espalda con espalda recortan ambos picos. Para un medio ciclo positivo, el Zener superior tiene polarización inversa, rompiéndose a la tensión Zener de 10 V. El Zener inferior cae aproximadamente 0.7 V ya que está polarizado hacia delante. Por lo tanto, un nivel de recorte más preciso es 10+0.7=10.7V. El recorte de medio ciclo negativo similar ocurre a -10.7 V. (Figura abajo) muestra el nivel de recorte a un poco más de ±10 V.

Cortador de diodo Zener: v (1) la entrada se recorta en forma de onda v (2).

Revisar

• Los diodos Zener están diseñados para funcionar en modo de polarización inversa, proporcionando una avería relativamente baja y estable, o voltaje Zener en el que comienzan a conducir una corriente inversa sustancial.
• Un diodo Zener puede funcionar como regulador de voltaje actuando como una carga accesoria, extrayendo más corriente de la fuente si el voltaje es demasiado alto, y menos si es demasiado bajo.