El diodo Zener o “diodo de ruptura”, como a veces se les llama, son básicamente los mismos que el diodo de unión PN estándar, pero están especialmente diseñados para tener un bajo voltaje de ruptura inversa predeterminado que aprovecha este alto voltaje inverso. El diodo zener es el tipo más simple de regulador de voltaje y el punto en el que un diodo zener se rompe o conduce se llama “voltaje Zener” (Vz).
El diodo Zener es como un diodo de señal de propósito general que consiste en una unión PN de silicio. Cuando está polarizado en la dirección hacia adelante, se comporta como un diodo de señal normal que pasa la corriente nominal, pero tan pronto como un voltaje inverso aplicado a través del diodo zener excede el voltaje nominal del dispositivo, el voltaje de ruptura de los diodos se alcanza en ese punto un proceso Se denomina ruptura de avalancha en la capa de agotamiento de semiconductores 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 que se logra, esta corriente de saturación inversa permanece bastante constante en un amplio rango de voltajes aplicados. El punto de voltaje en el que el voltaje a través del diodo zener se estabiliza se denomina “voltaje zener” para los diodos zener. Este voltaje puede variar de menos de un voltio a 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 de semiconductores de diodos, lo que le da al diodo un voltaje de ruptura zener específico, (Vz) para ejemplo, 4.3V o 7.5V. Este voltaje de ruptura zener en la curva IV es casi una línea recta vertical.
Características del diodo IV de Zener
El diodo Zener se utiliza en su “polarización inversa” o modo de ruptura inversa, es decir, el ánodo de los diodos se conecta al suministro negativo. A partir 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 y permanece casi constante incluso con grandes cambios en la corriente como siempre que la corriente de los diodos zener permanezca entre la corriente de ruptura IZ (min) y la corriente máxima IZ (max).
Esta capacidad de controlarse a sí misma puede usarse con gran efecto para regular o estabilizar una fuente de voltaje contra variaciones de suministro o carga. El hecho de que el voltaje a través del diodo en la región de ruptura es casi constante resulta ser una aplicación importante del diodo zener como regulador de voltaje.
La función de un regulador es proporcionar un voltaje de salida constante a una carga conectada en paralelo a pesar de las ondas en el voltaje de suministro o la variación en la corriente de carga y el diodo zener continuará regulando el voltaje hasta que los diodos se actualicen. cae por debajo del valor mínimo de IZ (min) en la región de descomposición inversa.
El regulador de diodo Zener
Los diodos Zener se pueden usar para producir una salida de voltaje estabilizado con baja ondulación bajo condiciones de corriente de carga variable. Al pasar una pequeña corriente a través del diodo desde una fuente de voltaje, a través de una resistencia limitadora de corriente (RS) adecuada, 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 onda media o completa contiene ondulación superpuesta al voltaje de CC y que a medida que el valor de la carga cambia, 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.
Regulador de diodo Zener
La resistencia RS está conectada 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 del suministro de CC, por lo que tiene polarización inversa y funcionará en su condición de ruptura. 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 grande, ya que esto aumentará el requisito de disipación de potencia del diodo, por lo que debe tenerse cuidado al seleccionar el valor apropiado de resistencia en serie. que la potencia máxima del zener no se supera en esta condición sin carga o de alta impedancia.
La carga está conectada en paralelo con el diodo zener, por lo que el voltaje a través de RL es siempre el mismo que el voltaje zener (VR = VZ). Hay una corriente zener mínima para la cual la estabilización del voltaje es efectiva y la corriente zener debe mantenerse 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 de diodo zener es que el diodo a veces puede generar ruido eléctrico en la parte superior del suministro de CC mientras intenta estabilizar el voltaje. Normalmente, esto no es un problema para la mayoría de las aplicaciones, pero la adición de un condensador de desacoplamiento de gran valor a través de la salida del zener puede ser necesaria para proporcionar un suavizado adicional.
Luego para resumir un poco. Un diodo zener siempre funciona en su condición de polarización inversa. Se puede diseñar un circuito regulador de voltaje utilizando un diodo zener para mantener un voltaje de salida de CC constante a través de la carga a pesar de las variaciones en el voltaje de entrada o los 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.
Diodo Zener Ejemplo No1
Se requiere una fuente de alimentación estabilizada de 5.0V a partir de una fuente de entrada de fuente de alimentación de 12V DC. La potencia nominal máxima PZ del diodo zener es de 2W. Usando el circuito regulador zener anterior, calcule:
una). La corriente máxima que fluye a través del diodo zener.
si). El valor mínimo de la resistencia en serie, RS
C). La corriente de carga IL si una resistencia de carga de 1kΩ está conectada a través del diodo zener.
re). La corriente zener IZ a plena carga.
Voltajes de diodo Zener
Además de producir una única salida de voltaje estabilizado, los diodos zener también se pueden conectar 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
Los valores de los diodos Zener individuales se pueden elegir para adaptarse a la aplicación, mientras que el diodo de silicio siempre caerá aproximadamente 0.6 – 0.7V 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, es 19v.
Un diodo zener típico para circuitos electrónicos generales es la serie BZX55 de 500 mW o la serie BZX85 de 1.3 W más grande donde el voltaje zener se da como, por ejemplo, C7V5 para un diodo de 7.5V 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 la utilizada para la serie de resistencias de 5% (E24) con las clasificaciones de voltaje individuales para estos diodos pequeños pero muy útiles. la mesa de abajo.
Circuitos de recorte de diodos Zener
Hasta ahora hemos analizado cómo se puede usar un diodo zener para regular una fuente de CC constante, pero qué pasaría si la señal de entrada no fuera CC de estado estable, sino una forma de onda alterna de CA, ¿cómo reaccionaría el diodo zener a una señal en constante cambio?
Los circuitos de sujeción y recorte de diodos son circuitos que se utilizan para dar forma o modificar una forma de onda de CA de entrada (o cualquier sinusoide) que produce una forma de onda de salida de forma diferente dependiendo de la disposición del circuito. Los circuitos de clipper de diodos también se denominan limitadores porque limitan o cortan la parte positiva (o negativa) de una señal de entrada de CA. Como los circuitos de recortadores zener limitan o cortan parte de la forma de onda a través de ellos, se utilizan principalmente para 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 manteniendo la salida constante a + 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 -0.7V, el diodo zener se enciende como cualquier diodo de silicio normal y corta la salida a -0.7V como se muestra abajo.
Señal de onda cuadrada
Los diodos zener conectados de forma consecutiva se pueden usar como un regulador de CA que produce lo que en broma se llama un “generador de onda cuadrada para pobres”. Usando 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, digamos, + 8V y -6V, simplemente usaríamos dos diodos zener de diferente clasificación. Tenga en cuenta que la salida en realidad recortará la forma de onda de CA entre + 8.7V y -6.7V 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 clipper es bastante común para proteger un circuito electrónico de sobretensión. Los dos zener generalmente se colocan 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 corta la entrada para proteger el circuito.
En el próximo tutorial sobre diodos, veremos cómo usar 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 agujeros 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 el diodo emisor de luz que aprovecha esta característica de producción de luz para emitir luz (fotones) en una variedad de colores y longitudes de onda.