DIODO ZENER


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 Lo primero, antes de explicar el diodo zener y para los que todavía no lo saben, vamos a explicar que es un diodo.

 Un diodo es un componente electrónico (semiconductor) que permite el paso de la corriente "solo en un sentido". Veamos el diodo real y su símbolo.

diodo

 Como vemos para que la corriente pase a través de diodo debe conectarse el ánodo al positivo y el cátodo al negativo.

 Cuando el diodo permite el paso de la corriente decimos que está polarizado directamente. Si está conectado de forma que la corriente no pasa por él decimos que está polarizado inversamente. Veamos que ocurre cuando conectamos un diodo con una lámpara en serie.

polarizacion diodo
 No vamos hablar más del diodo, si quieres saber más te recomendamos este enlace: Diodo.

 Ahora vamos a conocer al Diodo Zener.
 

  ¿Qué es un Diodo Zener?


 Los diodos zener, zener diodo o simplemente zener, son diodos que están diseñados para mantener un voltaje constante en su terminales, llamado Voltaje o Tensión Zener (Vz) cuando se polarizan inversamente, es decir cuando está el cátodo con una tensión positiva y el ánodo negativa. Un zener en conexión con polarización inversa siempre tiene la misma tensión en sus extremos (tensión zener).

diodo zener



 Aquí tienes la imagen de un diodo zener real:

diodo zener
 

  Cómo Funciona un Diodo Zener


 Cuando lo polarizamos inversamente y llegamos a Vz el diodo conduce y mantiene la tensión Vz constante aunque nosotros sigamos aumentando la tensión en el circuito. La corriente que pasa por el diodo zener en estas condiciones se llama corriente inversa (Iz).
 Se llama zona de ruptura por encima de Vz. Antes de llegar a Vz el diodo zener NO Conduce.

 Como ves es un regulador de voltaje o tensión. Fijate en la gráfica de funcionamiento del zener más abajo.

 Cuando está polarizado directamente el zener se comporta como un diodo normal.

 Pero OJO mientras la tensión inversa sea inferior a la tensión zener, el diodo no conduce, solo conseguiremos tener la tensión constante Vz, cuando esté conectado a una tensión igual a Vz o mayor. Aquí puedes ver una la curva característica de un zener:

curva diodo zener

 Para el zener de la curva vemos que se activaría para una Vz de 5V (zona de ruptura), lógicamente polarizado inversamente, por eso es negativa. En la curva de la derecha vemos que sería conectado directamente, y conduce siempre, como un diodo normal. Este diodo se llamaría diodo zener de 5V, pero podría ser un diodo zener de 12V, etc.

 Sus dos características más importantes son su Tensión Zener y la máxima Potencia que pueden disipar = Pz (potencia zener).

 La relación entre Vz y Pz nos determinará la máxima corriente inversa, llamada Izmáx. OJO si sobrepasamos esta corriente inversa máxima el diodo zener puede quemarse, ya que no será capaz de disipar tanta potencia.

 Un ejemplo: Tenemos un diodo zener de 5,1V y 0,5w. ¿cual será la máxima corriente inversa que soportará?

  Recordamos P = V x I; I = P/V. En nuestro caso Izmáx = Pz/Vz = 0,5/5,1 = 0,098A.

 Para evitar que nunca pasemos de la corriente inversa máxima, los diodos zener se conectan siempre con una resistencia en serie que llamamos "Resistencia de Drenaje".

 Vamos a ver como sería la conexión básica de un diodo zener en un circuito:

diodo zener conexion

 La Rs (resistencia en serie con el zener) sería la resistencia de drenaje que sirve para limitar el flujo de corriente por el zener y la Rl es la Carga a elemento de salida que va a tener la tensión zener constante por estar en paralelo con el diodo zener. ¿Te das cuenta que la conexión es inversa?. Así se conectan siempre el zener diodo.

 En el circuito anterior la tensión de salida se mantendrá constante, siempre que sea superior a la Vz, y además será independiente de la tensión de entrada Vs. Esto nos asegura que la carga siempre estará a la misma tensión.

 Si aumentamos por encima de Vz la tensión de entrada Vs a la salida tendremos siempre la tensión constante igual a Vz.

 La Rs absorbe la diferencia de tensión entre la entrada y la salida. ¿Cómo se calcula la Rs?

 Rs = (Vs- Vo)/ (Il + Iz)

 Siendo Vs la tensión de entrada del regulador, Vo la tensión de salida, que será igual a Vz,  Il es la intensidad de carga máxima e Iz la intensidad o corriente a través del diodo zener.

 Esta última se escoge siempre de un valor del 10% o del 20% de la corriente máxima.

 ¿Para qué sirve un diodo Zener? estos diodos se utilizan como reguladores de tensión o voltaje para determinadas tensiones y resistencias de carga. Con un zener podemos conseguir que a un componente (por ejemplo un altavoz) siempre le llegue la misma tensión de forma bastante exacta.

 Otro uso del zener es como elemento de protección de un circuito para que nunca le sobrepase una determinada tensión a la carga del circuito.

 OJO los zener deben diseñarse para que sean capaces de soportar la potencia de la carga, de otra forma podrían llegar a bloquearse o incluso quemarse.

 Vamos a poner un ejemplo con un ejercicio.

 Se desea diseñar un regulador zener de 5,1V para alimentar una carga de 5 ohmios, a partir de una entrada de 9V. Para ello utilizaremos un zener de 5,1V y 1w. Calcular:

 a) La resistencia necesario de drenaje, asumiendo una corriente de zener del 10% de la corriente máxima.

 b) Los límites de variación del voltaje de entrada dentro de los cuales se mantiene la regulación. Se asume que la carga es constante.

 c) La potencia nominal de la resistencia de drenaje.

 Vamos a resolver el problema:

 Para calcular la resistencia de drenaje ya sabemos que es:

 Rs = (Vs- Vo)/ (Il + Iz); en nuestro caso:

 Vs = 9V; Vo = 5,1V;

 Il = Vo / Rl = 5,1/5 = 1,02A;

 Iz = Il / 10 = 1,2 /10 = 0,102A (el 10%)

 Si ponemos estos valores en la fórmula de la Rs tendremos:

 Rs = (9V-5,1V)/(1,02A-0,102A)= 3,48Ω.

 como este valor de resistencia no existe en la realidad escogeremos el valor de una resistencia de 3,3Ω que si existe en la realidad y se comercializa.

 Vamos ahora a resolver el apartado b).

 Los valores máximos y mínimos de la tensión de entrada entre los cuales el circuito mantiene regulada la tensión de salida, podemos despejarlos de la fórmula anterior, despejando Vs y teniendo en cuenta que la Iz, corriente a través del zener, no puede ser superior a su valor máximo Izmáx ni inferior a cero. Despejamos Vs:

 Vs = (Il + Iz) x Rs + Vo;

 El valor mínimo para Vs será cuando Iz es igual a cero.

 Vsmínimo= Il x Rs + Vo;

 El valor máximo será cuando Iz es igual a Izmáx.

 Vs = (Il + Izmáx) x Rs + Vo;

 Los valores para nuestro ejercicio son:

  Il = 1,02A; Rs = 3,3Ω; Vo = 5,1V y la Izmáx será:

 Izmáxima= Pz/Vz = 1/5,1= 0,196A. Si ponemos los valores en las fórmulas anteriores, tenemos:

 Vsminimo = 1,02 x 3,3 + 5,1 = 8,47V

 Vmáxima = (1,02 + 0,196) x 3,3 + 5,1 = 9,11V.

 ¿Qué significa esto? Pues que la tensión de entrada puede ser entre 8,47V y 9,11V para que exista regulación de tensión del diodo zener.

 Si el zener tiene una tensión inferior a 8,47V deja de conducir y si es superior a 9,11V se destruye por sobrecalentamiento. Este será el rango del que hablamos anteriormente y por lo que los zener no se pueden usar para todos los casos.

 En ambos casos no habrá regulación de tensión y el circuito se comportará como un divisor de tensión normal.

 Conclusión a esto es que los diodos zener solo se pueden utilizar para un rango limitado de tensiones de carga o corrientes de carga.

 Para manejar tensiones elevadas se debe utilizar junto con un transistor, que se encargará de transportar la corriente d carga sin alterar la tensión aplicada a ella. Pero para eso tendríamos que entender el transistor. Si te interesa aquí tienes el enlace: Transistor.

  Por último calculemos el apartado c).

 La potencia nominal mínima de la resistencia de drenaje se calcula con la fórmula:

 Ps = (9,11V -5,1V)/3,3Ω= 4,87w.

 Según esto debe escogerse como mínimo una resistencia d 3,3Ω y que aguante una potencia de 5w. En la práctica, por seguridad se elegirá una de 3,3Ω y de 10w de potencia.

  Tipos de Diodos Zener

 Actualmente se pueden encontrar diodos zener de valores Vz desde 0,2V hasta 200V y de Pz hasta los 50 vatios.

 Hay principalmente dos variedades de zener, los ZD o ZDP que son los europeos y los 1N que son americanos.

 Los ZDP por ejemplo el ZPD12 significa que tienen una tensión zener de 12V. Para el resto tendremos que mirar sus características en la tabla de fabricante, aunque normalmente su tensión de ruptura viene impreso sobre el mismo diodo zener.

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