Diodo Zener - Escuela de Ingeniería Electrónica
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Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Diodo Zener Lección 03.2 Ing. Jorge Castro-Godı́nez EL2207 Elementos Activos Escuela de Ingenierı́a Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica I Semestre 2014 Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 1 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Contenido 1 Generalidades 2 Regulador de tensión Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable 3 Análisis gráfico Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 2 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Generalidades (1) El diodo Zener es un tipo especial de diodo que opera en la región de ruptura. Hacen uso del efecto Zener o por avalancha. A.K.A. diodos de ruptura. Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 3 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Generalidades (2) Curva característica del diodo Zener ideal Símbolo de diodo Zener Ejemplo de aplicación: regulador de voltaje Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 4 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable Regulador de Tensión replacements iR (1) R + Vin + VZ VL iZ Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener − RL iL 5 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable Regulador de Tensión (2) R: resistencia de limitación de corriente. La fuente debe ser capaz de polarizar el diodo Zener a la tensión de ruptura. Corriente de operación del diodo Zener: IZmin ≈ 0, 1 · IZmax IZmax está determinada por la potencia máxima del diodo Zener PZmax IZmax = VZ Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 6 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable Regulador de Tensión (3) El diodo Zener permite establecer niveles de tensión de referencia, i.e., un regulador. Un regulador es una combinación de elementos diseñados para garantizar que la tensión de salida de una fuente permanezca más o menos constante. Actua como un dispositivo de potección. Existen 3 casos valiosos de análizar. Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 7 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable Vi y R fijos (1) Se debe determinar el estado del diodo Zener eliminándolo del circuito y calculando la tensión a través del circuito abierto resultante. Vin · RL V = VL = R + RL Si V ≥ VZ el diodo Zener está encendido. Se reemplaza por el modelo equivalente. Si V < VZ el diodo Zener está apagado. Se reemplaza el diodo por un abierto. Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 8 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable Vi y R fijos (2) Se debe tener presente que: VL = VZ IR = IZ + IL La potencia disipada por el diodo Zener no debe sobrepasar el valor indicado por el fabricante: PZ = VZ IZ Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 9 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable Vi fijo, RL variable (1) Debido al valor de VZ hay un rango de valores especı́fico para R, y por lo tanto de corriente, que garantiza que el diodo Zener esté encendido RLmin = R · VZ Vin − VZ RL mı́nima establece una IL máxima. ILmax = Jorge Castro-Godı́nez VL VZ = RL RLmin Diodo Zener 10 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable Vi fijo, RL variable (2) La caı́da de tensión en R VR = Vin − VZ VR R IZ = IR − IL IR = Se define entonces valores de corriente mı́nima en a carga y por lo tanto una resistencia máxima de carga ILmin = IR − IZM RLmax = Jorge Castro-Godı́nez VZ ILmin Diodo Zener 11 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable RL fija, Vi variable (1) Debe establecerse el rango de Vin que permita al diodo Zener operar correctamente: Vinmin = (RL + R)VZ RL IRmax = IZM + IL Vinmax = IRmax R + VZ Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 12 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Vi y R fijos Vi fijo, RL variable RL fija, Vi variable Ejemplo Determine la tensión Vin que permita al diodo Zener estar encendido. Para este diodo Zener se tiene que VZ = 20 V y IZM = 60 mA R iR 220Ω Vin + + VZ VL − iZ Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener RL 1, 2 kΩ iL 13 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Lı́nea de carga (1) Circuito de entrada Característica del circuito de entrada (fuente de voltaje no ideal) Vin I R¯ R Fuente ideal R­ V Vin Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 14 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Lı́nea de carga (2) Circuito de salida IR Característica del circuito de salida RL I IZ IR RL ¯ IRL RL Diodo Zener ideal RL ­ V Vz VRL Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 15 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Lı́nea de carga (3) Circuito de entrada Circuito de salida Característica del diodo Zener ideal Característica de circuito de salida Característica de resistencia de carga RL Punto de operación IR Característica de circuito de entrada (fuente de voltaje no ideal) VR Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 16 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Ejemplo Dibuje las lı́neas de carga en la curva caracterı́stica del diodo Zener para el caso de máximo y mı́nimo voltaje de entrada y calcule la corriente, el voltaje y la potencia en todos los elementos. Dibuje UA en función del tiempo. Calcule la corriente a través de RV cuando la magnitud del voltaje de entrada es máximo y está conectada al circuito de polaridad opuesta. Vz =6V Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 17 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Ejemplo Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 18 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Ejercicio Para el diodo Zener del circuito considere que VZ = 10 V y PZM = 400 mW R iR 220Ω 20 V + + VZ VL − iZ RL iL Determine VL , IL e IR para el circuito si RL = 180Ω Determine el valor de RL que establecerá las condiciones máximas de potencia para el diodo Zener. Determine el valor mı́nimo de RL para asegurar que el diodo Zener opere en la región de ruptura. Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 19 / 20 Generalidades Regulador de tensión Análisis gráfico Referencias Bibliográficas I A. Sedra, K. Smith. Circuitos Microelectrónicos. McGraw-Hill, 5ta edición, 2006. R. Boylestad, L. Nashelsky. Electrónica: Teorı́a de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson, 10ma edición, 2009. Jorge Castro-Godı́nez Diodo Zener 20 / 20
