Diodo Zener como regulador de voltaje y sus características V-I

Diodo Zener como regulador de voltaje y sus características V-I

 

Introducción

Normalmente, un diodo de unión P-N normal se fabrica ajustando los semiconductores de tipo P y N en un único cristal semiconductor. Las características de un diodo de unión demuestran que está diseñado principalmente para operar en la dirección de avance. La aplicación de una gran cantidad de polarización directa provoca una mayor corriente directa con un pequeño valor de voltaje directo.

Sin embargo, la polarización inversa del diodo no causa la conducción de corriente hasta que se alcanzan valores altos de voltaje inverso. Si la tensión inversa es lo suficientemente grande, se produce una avería y comienza a fluir una corriente inversa. Los diodos de unión ordinaria generalmente se dañan cuando ocurre esta falla. El flujo de corriente en los diodos Zener está controlado por los portadores de carga minoritarios bajo la condición de polarización inversa, por lo que también pueden denominarse diodos de ruptura.

 1. PN Junction Diode connected in Reverse Bias

Durante las condiciones específicas de fabricación, se forma un tipo especial de diodo que no se arruinará cuando el voltaje de ruptura sea aumentado, dado que la corriente no excede un límite definido para evitar el caso de sobrecalentamiento. Este tipo de dispositivos se conocen como diodos Zener.

Los diodos Zener llevan el nombre de Clarence Melvin Zener por los Bell Laboratories, quienes descubrieron este tipo de propiedad eléctrica. Estos diodos son un tipo único de diodos con una fuerte concentración de dopaje en el momento de la fabricación. Debido al fuerte dopaje, se crean una gran cantidad de electrones libres y huecos de electrones y son responsables de conducir la corriente debido a portadores minoritarios en polarización inversa.

Estos diodos están diseñados para tener una característica de avalancha muy pronunciada. Los diodos Zener son diodos de silicio fuertemente dopados, a diferencia de los diodos normales que exhiben una falla inversa impulsiva a voltajes comparativamente bajos.

Los diodos Zener permiten que la corriente fluya hacia adelante de la misma manera que un diodo ideal. y también permite que la corriente fluya en la dirección inversa cuando el voltaje está por encima de un cierto valor conocido como voltaje de ruptura. Este voltaje también puede denominarse voltaje zener knee o zener.

Si se aumenta el voltaje en el diodo, la temperatura aumenta y los iones de cristal vibran con mayor amplitud y todo esto conduce a la descomposición de la capa de agotamiento. Cuando ocurre una falla, habrá un fuerte aumento en la corriente inversa. Una gran cantidad de corriente inversa variable puede pasar a través del diodo sin dañarlo.

Así que los diodos Zener están diseñados para funcionar en la región de ruptura inversa con una tensión de ruptura inversa (Vz) en el rango de 2.4 V a 200 V. El valor de Vz depende de la concentración de dopaje. Cuando se alcanza el voltaje Zener, el diodo Zener conduce la corriente desde su terminal de cátodo hasta su terminal de ánodo.

El voltaje de ruptura o voltaje zener a través del diodo zener permanece bastante constante. La cantidad máxima de corriente inversa está limitada por la potencia nominal del diodo.

Hay muchos tipos diferentes de diodos Zener. Se clasificaron según la disipación de potencia, la tensión nominal de trabajo, la corriente directa, la tensión directa, el tipo de embalaje y la corriente inversa máxima. Los valores generales para el voltaje Zener de trabajo de rodilla son 5.1 V, 6.2 V, 15 V y así sucesivamente. La corriente directa puede tener un rango de 200uA a 200A, siendo la corriente directa más común de 10mA o 200mA.

Los diodos Zener encontraron su uso en varias aplicaciones. Se usan ampliamente como diodos de referencia de voltaje en circuitos electrónicos que permiten la preparación de circuitos reguladores de voltaje de referencia simples y estables, además de que son baratos y fáciles de fabricar.

Se pueden usar como supresores de sobretensión para la protección del dispositivo, en circuitos de corte para recortar las formas de onda que no se requieren, en diferentes operaciones de conmutación, como elementos de referencia y se pueden usar para eliminar picos que pueden dañar una circuito o causar que se sobrecargue.

La tensión inversa invariable de un diodo zener lo convierte en un componente muy útil para controlar la tensión de salida frente a variaciones en la resistencia de carga o variaciones en la tensión de entrada proporcionada por una fuente de tensión inestable, como el banco de baterías. de un sistema de energía renovable que fluctuará dependiendo del estado de carga del banco. La corriente a través del diodo Zener cambiará para mantener el voltaje dentro de los límites de umbral ajustables de la acción zener.

Los fabricantes califican los diodos zener según su valor Vz y la disipación máxima de potencia a temperatura ambiente, es decir, 25ºC. Esto es una indicación de la corriente inversa máxima que un diodo zener puede conducir con seguridad la corriente eléctrica. Cada valor de voltaje de la rodilla Zener generalmente se especifica con la menor corriente Zener. Como resultado, los valores de disipación de potencia se utilizan para indicar el rango de funcionamiento seguro. Los valores típicos de las clasificaciones de disipación de potencia son de 150 mW a 50 W.

El diodo Zener se puede identificar mediante el terminal que está observando un anillo de color negro en el terminal del cátodo. Si el diodo es un componente SMD, entonces habrá disponible una banda de color para el terminal del cátodo. Al reconocer el código del diodo Zener marcado sobre el dispositivo, podemos determinar su valor.

Curva de características del Zener Diode IV

En la condición de polarización directa, el diodo Zener se comporta como un diodo ideal dentro de los límites de corriente y potencia especificados, pero difiere en la condición de polarización inversa donde el diodo Zener tiene una característica de avalancha muy pronunciada en el voltaje de ruptura en condiciones de polarización inversa.

Zener opera principalmente en el modo de polarización inversa conectando el ánodo al terminal negativo de la fuente de alimentación. Los diodos Zener se clasifican y califican según la tensión a la que se encenderán o comenzarán a conducir la corriente de polarización inversa.

 2. Símbolo del diodo Zener

La potencia máxima prevista para un diodo zener se especifica como Pz = VzIz max y es una función del plan y la estructura del diodo. La rodilla de la curva generalmente se aproxima al 10% de Iz max, es decir, Izmin = 0.1Iz máx.

 3. IV características del Diodo Zener

En general, estos diodos Zener se utilizan para regular el voltaje. En la condición de polarización inversa, después del desglose, el diodo Zener proporciona una tensión de salida constante incluso si aumentamos la tensión de entrada. Existen específicamente dos mecanismos separados que pueden causar una falla en un diodo zener:

Desglose de avalancha

Predomina por encima de aproximadamente 5.5 voltios. Este mecanismo también se conoce como ionización por impacto o multiplicación de avalanchas. Para la conducción inversa, es necesario visualizar el fenómeno de la degradación de la avalancha. Este proceso comienza cuando se aplica un sesgo negativo grande a la unión PN, se imparte suficiente energía a portadores de carga minoritarios generados térmicamente en los semiconductores.

Como resultado, los portadores libres adquieren la energía cinética requerida para romper los enlaces covalentes y crear un campo eléctrico mediante colisiones con partículas de cristal. Los portadores de carga creados en colisión contribuyen a la corriente inversa, más allá de la corriente de saturación inversa normal y también pueden poseer suficiente energía para participar a través de colisiones, creando un campo eléctrico adicional y el efecto de avalancha por ionización de impacto, una vez que un sesgo inverso suficientemente alto siempre que este proceso de conducción tenga lugar muy parecido a una avalancha: un solo electrón puede ionizar a muchos otros.

Zener Breakdown

Predomina por debajo de aproximadamente 5.5 voltios. Este mecanismo también se conoce como mecanismo de emisión de alto campo. El fenómeno de la ruptura de Zener está relacionado con el concepto de avería de la avalancha. La descomposición de Zener se logra mediante regiones fuertemente dopadas en el vecindario de contacto óhmico.

Es el segundo método para alterar los enlaces covalentes de los átomos de cristal y aumentar la corriente del diodo zener de polarización inversa, que se mantendrá a un voltaje específico mucho más bajo que el diodo normal. El voltaje de polarización inversa conocido como voltaje zener, donde ocurre este mecanismo, está determinado por la concentración de dopaje del diodo y ocurre cuando el ancho del campo de la capa de agotamiento es suficiente para interrumpir los enlaces covalentes y causa el número de portadores de carga hinchar.

El verdadero efecto Zener en semiconductores se puede explicar en términos de dos bandas de energía superior que son de interés. Las dos bandas superiores de energía son a saber, la banda de conducción y la banda de valencia.

 4. Características de polarización inversa del diodo Zener

Cualquiera de estos efectos o una combinación de los dos mecanismos aumenta significativamente la corriente en la región de polarización inversa mientras que tiene un efecto insignificante en la caída de voltaje a través de la unión. Cuando la tensión de polarización inversa aplicada es mayor que un voltaje predeterminado, tiene lugar la ruptura de zener.

El voltaje de ruptura de Zener se hace nítido y distinto al controlar la concentración de dopaje y cuando se evitan las imperfecciones de la superficie. El voltaje en el diodo zener en la región de ruptura es casi constante, lo que resulta ser un concepto esencial para regular el voltaje.

Diodo Zener como regulador de voltaje

Las características IV del diodo zener lo hacen adecuado para aplicaciones tales como un regulador de voltaje. Un estabilizador de voltaje es una combinación de elementos que están diseñados para garantizar que el voltaje de salida de un suministro se mantenga constante. La protección de exceso de voltaje se realiza mediante el uso de diodos Zener porque habrá una corriente inversa debido a que los portadores de carga minoritarios comienzan a fluir a través del diodo después de que el voltaje de polarización inversa excede un cierto valor.

Al mantener el diodo Zener en paralelo con una resistencia de carga variable RL, se garantiza un voltaje de salida constante a pesar de que la corriente de carga y la tensión de alimentación varían. En circuitos prácticos, la forma más simple de fuente de corriente es una resistencia. La clave para usar el diodo zener como regulador de voltaje es que mientras el diodo Zener esté polarizado inversamente, el flujo de corriente mayor a unos pocos micro amperios debe ir acompañado de un voltaje mayor que el voltaje Zener.

Este tipo de disposición del circuito proporciona seguridad para los equipos conectados a los terminales. Esta disposición del circuito regulador se conoce como un regulador de derivación en el que el elemento de regulación se coloca en paralelo con la carga. El voltaje de entrada al sistema es de unos pocos voltios y siempre que sea mayor que el voltaje de salida deseado, se producirá un voltaje estable a través del diodo zener.

Por lo general, la corriente inversa no debe exceder el valor normal pero, si por alguna falla en la construcción del circuito la corriente excede el límite máximo permitido, el sistema dañará permanentemente. Sin embargo, para evitar un rendimiento desequilibrado, los diodos zener se utilizan como referencia de voltaje en muchos instrumentos de medición.

A medida que aumenta el voltaje de entrada, la corriente a través del diodo zener aumenta, pero la caída de voltaje permanece constante, que es la característica necesaria requerido para los diodos Zener. Por lo tanto, la corriente inversa en el circuito se ha incrementado, la caída de voltaje a través de la resistencia aumenta en una cantidad igual a la diferencia entre el voltaje de entrada aplicado y el voltaje Zener knee del diodo Zener.

El voltaje de salida del sistema regulador se fija como el voltaje zener knee del diodo Zener y se puede usar en dispositivos de potencia que requieren un voltaje fijo de valor firme. El diodo zener continuará regulando la tensión hasta que la corriente del diodo zener caiga por debajo del valor mínimo de Izmin en la región de ruptura inversa.

Regulador de diodo Zener

En el momento de la iniciación, elija el diodo zener según la tensión requerida. La construcción de un regulador de voltaje es fácil con la ayuda de un diodo Zener ideal, simplemente conectando el diodo entre la fuente no regulada de voltaje y tierra.

La resistencia de fuente Rs está conectada en serie con el diodo Zener para limitar el flujo de corriente a través del diodo con la fuente de tensión conectada a través de la combinación. El terminal del cátodo del diodo Zener está conectado al terminal positivo de la fuente de voltaje de modo que el diodo zener está polarizado en condiciones inversas y funcionará en la región de ruptura.

 5. Zener diodo como regulador de voltaje

Cuando la carga no está conectada a través del diodo Zener, no se realizará ninguna corriente de carga y toda la corriente debida al circuito pasará por el diodo Zener disipando la cantidad máxima de poder que causa el sobrecalentamiento del diodo y daña permanentemente.

También es importante seleccionar los valores apropiados de la resistencia en serie Rs porque también causa una mayor corriente de diodo, por lo que la máxima disipación de potencia del diodo no debe excederse sin carga o en condiciones de alta impedancia.

Cada vez que se conecta una carga en paralelo con el diodo zener, el voltaje a través de la carga es el mismo que el voltaje del diodo Zener. Sin embargo, la tensión de la fuente debe ser mayor que la tensión Zener y el límite superior de la corriente zener depende de la potencia nominal del diodo Zener; de lo contrario, la tensión del zener simplemente seguirá la tensión de entrada aplicada.

También es necesario que tanto el diodo Zener como la resistencia tengan un alto grado de potencia para manejar toda la corriente a través del circuito. Si hay un condensador de desacoplamiento en el diodo zener, es más útil para proporcionar un alisamiento adicional al suministro de CC que es necesario para estabilizar el voltaje.

Diodos Zener en serie

 6. Diodo Zener conectado en serie

Cuando dos o más de dos diodos zener están de una manera tal que el cátodo del primer diodo zener está conectado al ánodo del segundo diodo zener, de manera similar, el cátodo del segundo diodo zener está conectado al ánodo o Para el tercer diodo Zener, este tipo de conexión se denomina conexión en serie de diodos Zener. A este respecto, la tensión total en el circuito es igual a la suma de los voltajes de todos los diodos Zener en la conexión.

De la figura que se muestra arriba, los diodos zener 3V están conectados en serie. El voltaje zener total de esta conexión en serie es de 9V. Las clasificaciones de voltaje Zener de los diodos Zener individuales deberían ser mejor elegidas para la mayoría de las aplicaciones.

Un diodo Zener característico para circuitos electrónicos de propósito general tiene una potencia nominal de 500mW, serie de diodos Zener BZX55 o la serie Zener BZX85 más grande de 1.3W son los diodos zener más comúnmente utilizados. Los diodos zener de la serie BZX55 de 500 mW están generalmente disponibles en el rango que varía de 2.4 voltios a casi alrededor de 100 voltios.

Voltajes de diodo Zener

Serie BZX55:

Disipación de potencia: 0.5 W

NÚMERO DE PARTE ZENER VOLTAGE RANGE NÚMERO DE PARTE ZENER VOLTAGE RANGE BZX55C2V42.4BZX55C15 15 BZX55C2V7 2.7BZX55C16 16 BZX55C3V0 3BZX55C18 18 BZX55C3V33.3BZX55C20 20 BZX55C3V6 3.6BZX55C22 22 BZX55C3V9 3.9BZX55C24 24 BZX55C4V34.3BZX55C27 27 BZX55C4V7 4.7BZX55C30 30 BZX55C5V1 5.1BZX55C33 33 BZX55C5V6 5.6BZX55C36 36 BZX55C6V2 6.2BZX55C39 39 BZX55C6V8 6.8BZX55C43 43 BZX55C7V57.5BZX55C47 47 BZX55C8V2 8.2BZX55C51 51 BZX55C9V1 9.1BZX55C5656 BZX55C1010BZX55C6262 BZX55C11 11BZX55C68 68 BZX55C12 12BZX55C75 75 BZX55C1313

Serie BZX85:

Disipación de potencia: 1,3 W

NÚMERO DE PARTE TENSIÓN DE ZENER RANGO NÚMERO DE PARTE GAMA DE VOLTAJE DE ZENER BZX85C2V7 2.7BZX85C18 18 BZX85C3V0 3BZX85C20 20 BZX85C3V33.3BZX85C22 22 BZX85C3V6 3.6BZX85C24 24 BZX85C3V9 3.9BZX85C2727 BZX85C4V3 4.3BZX85C3030 BZX85C4V7 4.7BZX85C33 33 BZX85C5V15.1BZX85C3636 BZX85C5V6 5.6BZX85C3939 BZX85C6v2 6.2BZX85C43 43 BZX85C6V8 6.8BZX85C47 47 BZX85C7V57.5BZX85C51 51 BZX85C8V2 8.2BZX85C56 56 BZX85C9V1 9.1BZX85C62 62 BZX85C10 10BZX85C6868 BZX85C11 11BZX85C75 75 BZX85C12 12BZX85C8282 BZX85C13 13BZX85C91 91 BZX85C15 15BZX85C100 100 BZX85C16 16

Zener Diode Clippers

Los circuitos de corte basados ​​en diodos Zener limitan la parte determinada de la forma de onda de entrada que se aplica a través de los terminales de entrada, estas tijeras Zener se utilizan generalmente para proteger los circuitos y en la configuración de las formas de onda de entrada. Considere un circuito clipper como se muestra en la figura. Si queremos recortar la forma de onda por encima de 3.2 V, usaremos un diodo zener de 3.2 V.

La forma de onda de salida se puede recortar en el lado positivo en más de 3,2 V y mantiene una salida constante. La forma de onda en el lado negativo se recorta a 0,7 V y allí después de que el diodo Zener se enciende y actúa como un diodo de silicio.

El diodo y la fuente de alimentación como se muestra evitarán que la tensión de salida exceda 0,7V. Los circuitos de corte de diodo Zener se utilizan para eliminar el ruido en amplitud y picos de voltaje, regulación de voltaje y para hacer formas de onda nuevas a partir de una señal existente como cuadrar los picos de una forma de onda sinusoidal para obtener una forma de onda rectangular.

 7. Limitación con diodos Zener de onda completa

Conectando los diodos zener en dirección opuesta, de atrás para atrás, produce un regulador de CA que puede ser utilizado como un generador de onda cuadrada. Es la conexión de diodo Zener más comúnmente utilizada para recortar las formas de onda y proteger los circuitos electrónicos contra sobretensiones.

Ambos diodos Zener generalmente se conectan a través de los terminales de entrada de la fuente de alimentación, en algún punto del funcionamiento normal, uno de los diodos zener en el circuito está apagado y el otro diodo zener no tiene o muy poco afecto.

Por otro lado, si la tensión de entrada aplicada al circuito excede el límite máximo, entonces el diodo Zener se ENCIENDE y recortará la señal de entrada aplicada para proteger el circuito.

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