Diodos Zener

Introducción

Los diodos generalmente se conocen como un dispositivo que permite el flujo de corriente en una dirección (polarización directa) y ofrece resistencia al flujo de corriente cuando se usa en polarización inversa. El diodo Zener (llamado así por el científico estadounidense C. Zener que explicó por primera vez sus principios operativos) por otro lado, no solo permite el flujo de corriente cuando se usa en polarización directa, sino que también permite el flujo de corriente cuando se usa en polarización inversa. Hasta ahora, el voltaje aplicado está por encima del voltaje de ruptura conocido como voltaje de ruptura Zener. O en otras palabras, el voltaje de ruptura es el voltaje en el que el diodo Zener comienza a conducir en dirección inversa.

Principio operativo del diodo Zener:

En diodos normales, el voltaje de ruptura es muy alto y el diodo se daña totalmente si se aplica un voltaje por encima del diodo de ruptura, pero en los diodos Zener, el voltaje de ruptura no es tan alto y no conduce a un daño permanente del diodo Zener si se aplica el voltaje.

A medida que el voltaje inverso aplicado al diodo Zener aumenta hacia el voltaje de ruptura especificado (Vz), una corriente comienza a fluir a través del diodo y esta corriente se conoce como corriente Zener y este proceso se conoce como ruptura de avalancha . La corriente aumenta al máximo y se estabiliza. Esta corriente permanece constante en el rango más amplio de voltaje aplicado y permite que el diodo Zener resista un voltaje más alto sin dañarse. Esta corriente está determinada por la resistencia en serie.

Considere las siguientes imágenes de un diodo normal en acción.

Para mostrar las operaciones del diodo Zener, considere los dos experimentos (A y B) a continuación.

En el Experimento A, un diodo Zener de 12V está conectado en polarización inversa como se muestra en la imagen y se puede ver que el diodo Zener bloqueó el voltaje de manera efectiva porque era menor / igual al voltaje de ruptura del diodo Zener particular y la lámpara, por lo tanto se quedó fuera.

En el Experimento B, un diodo Zener de 6v utilizado es conductor (la bombilla se enciende) en polarización inversa porque el voltaje aplicado es mayor que su voltaje de ruptura y, por lo tanto, muestra que la región de ruptura es la región de funcionamiento del diodo Zener.

La curva característica corriente-voltaje del diodo Zener se muestra a continuación.

Del gráfico, se puede deducir que el diodo Zener operado en el modo de polarización inversa tendrá un voltaje bastante constante independientemente de la cantidad de corriente suministrada.

Aplicaciones del diodo Zener:

Los diodos Zener se utilizan en tres aplicaciones principales en circuitos electrónicos;

1. Regulación de voltaje

2. Cortadora de formas de onda

3. Cambiador de voltaje

1. Diodo Zener como regulador de voltaje

Esta es posiblemente la aplicación más común de diodos Zener.

Esta aplicación de los diodos Zener depende en gran medida de la capacidad de los diodos Zener para mantener un voltaje constante independientemente de las variaciones en la corriente de alimentación o carga. La función general de un dispositivo de regulación de voltaje es proporcionar un voltaje de salida constante a una carga conectada en paralelo a él, independientemente de las variaciones en la energía consumida por la carga (corriente de carga) o variaciones e inestabilidad en el voltaje de suministro.

El diodo Zener proporcionará voltaje constante siempre que la corriente se mantenga dentro del rango de la corriente inversa máxima y mínima.

El diagrama del circuito que muestra el diodo Zener que se utiliza como regulador de voltaje se muestra a continuación.

Una resistencia, R1 está conectada en serie con el diodo zener para limitar la cantidad de corriente que fluye a través del diodo y el voltaje de entrada Vin (que debe ser mayor que el voltaje zener) se conecta como se muestra en la imagen y el voltaje de salida Vout, se toma a través del diodo Zener con Vout = Vz (voltaje Zener). Dado que las características de polarización inversa del diodo Zener son lo que se necesita para regular el voltaje, se conecta en modo de polarización inversa, con el cátodo conectado al riel positivo del circuito.

Se debe tener cuidado al seleccionar el valor de la resistencia R1, ya que una resistencia de valor pequeño dará como resultado una corriente de diodo grande cuando la carga está conectada y esto aumentará el requisito de disipación de potencia del diodo, que podría llegar a ser más alto que la potencia nominal máxima de Zener y podría dañarlo.

El valor de la resistencia que se utilizará se puede determinar mediante la fórmula siguiente.

R ₁ = (V _en - V _Z) / I _Z Donde; R1 es el valor de la resistencia en serie. Vin es el voltaje de entrada. Vz, que es igual a Vout, es el voltaje Zener e Iz es la corriente Zener.

Al usar esta fórmula, es fácil asegurarse de que el valor de la resistencia seleccionada no conduzca a un flujo de corriente superior al que puede manejar el zener.

Un pequeño problema experimentado con los circuitos reguladores basados ​​en diodos Zener es que el Zener a veces genera ruido eléctrico en el riel de suministro mientras intenta regular el voltaje de entrada. Si bien esto puede no ser un problema para la mayoría de las aplicaciones, este problema puede resolverse agregando un condensador de desacoplamiento de gran valor a través del diodo. Esto ayuda a estabilizar la salida del zener.

2. Diodo Zener como cortador de formas de onda

Uno de los usos de los diodos normales es en la aplicación de circuitos de recorte y sujeción, que son circuitos que se utilizan para dar forma o modificar una forma de onda o señal de CA de entrada, produciendo una señal de salida de forma diferente según las especificaciones del recortador o sujetador.

Los circuitos Clippers son generalmente circuitos que se utilizan para evitar que la señal de salida de un circuito vaya más allá de un valor de voltaje predeterminado sin cambiar ninguna otra parte de la señal de entrada o forma de onda.

Estos circuitos, junto con abrazaderas, se utilizan ampliamente en transmisores de radio FM y televisión analógica para eliminar interferencias (circuitos de sujeción) y limitar los picos de ruido mediante el recorte de picos altos.

Dado que los diodos Zener se comportan genéricamente como diodos normales cuando el voltaje aplicado no es igual al voltaje de ruptura, también se utilizan en circuitos de recorte.

Los circuitos de recorte podrían diseñarse para recortar la señal en las regiones positiva, negativa o ambas. Aunque el diodo cortará naturalmente la otra región a 0,7 V independientemente de si fue diseñado como un clipper positivo o negativo.

Por ejemplo, considere el circuito a continuación.

El circuito del clipper está diseñado para recortar la señal de salida a 6.2v, por lo que se utilizó un diodo zener de 6.2v. El diodo zener evita que la señal de salida vaya más allá del voltaje zener independientemente de la forma de onda de entrada. Para este ejemplo en particular, se utilizó un voltaje de entrada de 20 V y el voltaje de salida en la oscilación positiva fue de 6.2 V consistente con el voltaje del diodo Zener. Sin embargo, durante la oscilación negativa del voltaje de CA, el diodo Zener se comporta como el diodo normal y recorta el voltaje de salida a 0,7 V, de acuerdo con los diodos de silicona normales.

Para implementar el circuito de recorte para la oscilación negativa del circuito de CA, así como la oscilación positiva, de tal manera que el voltaje se recorta en diferentes niveles en la oscilación positiva y negativa, se utiliza un circuito de recorte de doble zener. El diagrama de circuito para el circuito de recorte Zener doble se muestra a continuación.

En el circuito de recorte de arriba, el voltaje Vz2 representa el voltaje en la oscilación negativa de la fuente de CA en la que se desea recortar la señal de salida, mientras que la tensión Vz1 representa la tensión en la oscilación positiva de la fuente de CA en la que la tensión de salida se desea recortar.

3. Diodo Zener como cambiador de voltaje

El cambiador de voltaje es una de las aplicaciones más simples pero interesantes del diodo Zener. Si ha tenido experiencia especialmente con la conexión de un sensor de 3.3v a una MCU de 5V, y ha visto de primera mano los errores en las lecturas, etc., que esto puede llevarlos, apreciará la importancia de los cambiadores de voltaje. Los cambiadores de voltaje ayudan a convertir la señal de un voltaje a otro y con la capacidad del diodo Zener para mantener un voltaje de salida constante en la región de ruptura, los convierte en un componente ideal para la operación.

En un cambiador de voltaje basado en diodo Zener, el circuito reduce el voltaje de salida, en un valor igual al voltaje de ruptura del diodo Zener particular que se utiliza. El diagrama del circuito para el cambiador de voltaje se ilustra a continuación.

Considere el experimento a continuación,

El circuito describe un cambiador de voltaje basado en diodo Zener de 3.3v. El voltaje de salida (3,72 V) del circuito se obtiene restando el voltaje de ruptura (3,3 V) del diodo Zener del voltaje de entrada (7 V).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3.3 = 3.7v

El cambiador de voltaje, como se describió anteriormente, tiene varias aplicaciones en el diseño de circuitos electrónicos modernos, ya que el ingeniero de diseño puede tener que trabajar con hasta tres niveles de voltaje diferentes en ocasiones durante el proceso de diseño.

Tipos de diodos Zener:

Los diodos Zener se clasifican en tipos basados ​​en varios parámetros que incluyen;

1. Voltaje nominal
2. Disipación de potencia
3. Corriente de avance hacia adelante
4. Tensión directa
5. Tipo de embalaje
6. Corriente inversa máxima

Voltaje nominal

El voltaje de operación nominal de un diodo Zener también se conoce como voltaje de ruptura del diodo Zener, dependiendo de la aplicación para la cual se va a usar el diodo, este es a menudo el criterio más importante para la selección del diodo Zener.

Disipación de potencia

Esto representa la cantidad máxima de energía que puede disipar la corriente zener. Exceder esta potencia nominal conduce a un aumento excesivo de la temperatura del diodo Zener que podría dañarlo y provocar la falla de las cosas conectadas a él en un circuito. Por lo tanto, este factor debe tenerse en cuenta al seleccionar el diodo con el uso en mente.

Corriente Zener máxima

Esta es la corriente máxima que puede pasar a través del diodo Zener al voltaje Zener sin dañar el dispositivo.

Corriente Zener mínima

Esto se refiere a la corriente mínima requerida para que el diodo Zener comience a operar en la región de ruptura.

Otros parámetros que sirven como especificación para el diodo deben considerarse completamente antes de tomar una decisión sobre el tipo de diodo Zener necesario para ese diseño peculiar.

Conclusión:

Aquí hay 5 puntos que nunca debe olvidarse del diodo Zener.

1. Un diodo Zener es como un diodo ordinario solo que ha sido dopado para tener un voltaje de ruptura agudo.
2. El diodo Zener mantiene un voltaje de salida estable independientemente del voltaje de entrada siempre que no se exceda la corriente Zener máxima.
3. Cuando se conecta en polarización directa, el diodo Zener se comporta exactamente como el diodo de silicona normal. Conduce con la misma caída de voltaje de 0.7v que acompaña al uso del diodo normal.
4. El estado operativo predeterminado del diodo Zener está en la región de ruptura (polarización inversa). Significa que realmente comienza a funcionar cuando el voltaje aplicado es más alto que el voltaje Zener en polarización inversa.
5. El diodo Zener se usa principalmente en aplicaciones que involucran regulación de voltaje, circuitos de recorte y cambiadores de voltaje.