REGULADOR ZENER

REGULADOR ZENER
Planteamiento
del problema
Como usar el
diodo zener en
una fuente de
alimentación de
potencia
regulada por
transistores
Objetivos
Hipótesis
9 Conocer la
cantidad de
tensión de
referencia
que se puede
controlar.
9 Aumento de
la capacidad
de paso de
potencia
9 Conocer los
parámetros
que hacen
posible el
funcionamie
nto del diodo
zener
9 Mejora del
factor de
regulación al
utilizar la
ganancia de
corriente del
transistor
Indicadores
Metodología
9 Tensión de
entrada.
9 Resistencia en
serie.
9 Corriente de
entrada.
9 Características
de avalancha
Método
experimental
Conclusiones
Observaciones
La ruptura en
avalancha del
funcionamiento
del diodo zener
no es
destructiva, con
tal que no se
exceda la
disipación de
potencia
nominal de la
unión.
Se ha apreciado
q el regulador
zener tiene
bastante uso en
la vida
electrónica.
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EL
REGULADOR
ZENER
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Tema: Regulador Zener
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OBJETIVOS.-
9 Conocer la cantidad de tensión de referencia que se puede controlar.
9 Conocer los parámetros que hacen posible el funcionamiento del diodo zener.
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INTRODUCCIÓN
Hemos visto que un diodo semiconductor normal puede estar polarizado tanto en
directa como inversamente.
•
•
En directa se comporta como una pequeña resistencia.
En inversa se comporta como una gran resistencia.
Veremos ahora un diodo de especiales características que recibe el nombre de
diodo zener.
El diodo zener trabaja exclusivamente en la zona de característica inversa y, en
particular, en la zona del punto de ruptura de su característica inversa
Esta tensión de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se
fabrican desde 2 a 200 voltios. Polarizado en directa actúa como un diodo normal y
por tanto no se utiliza en dicho estado
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¿Qué es un regulador?
Es un dispositivo electrónico diseñado con
el objetivo de proteger aparatos eléctricos y
electrónicos delicados de variaciones de
diferencia
de
potencial
(tensión/voltaje),
descargas eléctricas y "ruido" existente en la
corriente alterna de la distribución eléctrica.
Los reguladores de tensión están presentes en las fuentes de alimentación de
corriente continua reguladas, cuya misión es la de proporcionar una tensión
constante a su salida. Un regulador de tensión eleva o disminuye la corriente para
que el voltaje sea estable, es decir, para que el flujo de voltaje llegue a un aparato
sin irregularidades. Esto, a diferencia de un "supresor de picos" el cual únicamente
evita los sobre voltajes repentinos (picos). Un regulador de voltaje puede o no
incluir un supresor de picos.
El diodo Zener.Es un tipo especial de diodo preparado para trabajar en la zona inversa. Cuando se
alcanza la denominada tensión Zener en polarización inversa, ante un aumento de
la corriente a través del diodo, éste mantiene la tensión constante entre sus
terminales dentro de ciertos márgenes. Si la corriente es muy pequeña la tensión
empezará a disminuir, pero si es excesiva puede destruir el diodo.
Esta propiedad hace que el diodo Zener sea utilizado como regulador de tensión
en las fuentes de alimentación.
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Comportamiento del Zener .El llamado diodo Zener, cuyas características en
polarización directa son análogas a las del diodo de unión,
pero que en polarización inversa se comporta de manera
distinta, lo que le permite tener una serie de aplicaciones.
Cuando el diodo esta polarizado inversamente, una
pequeña corriente circula por él, llamada corriente de saturación Is, esta corriente
permanece relativamente constante mientras aumentamos la tensión inversa hasta
que el valor de ésta alcanza Vz, llamada tensión Zener (que no es la tensión de
ruptura zener), para la cual el diodo entra en la región de colapso. La corriente
empieza a incrementarse rápidamente por el efecto avalancha.
En esta región, pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de
corriente. El diodo zener mantiene la tensión prácticamente constante entre sus
extremos para un amplio rango de corriente inversa.
Obviamente, hay un drástico cambio de la resistencia efectiva de la unión PN.
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Caracterización del Zener
El diodo zener viene caracterizado por:
•
Tensión Zener Vz.
•
Rango de tolerancia de Vz. (Tolerancia: C: ±5%)
•
Máxima corriente Zener en polarización inversa I .
•
•
Máxima potencia disipada.
Máxima temperatura de operación del zener.
z
Constitución de un Diodo Zener
Los zener se fabrican por procesos de aleación o difusión según sean las
características que se deseen obtener. De modo general, podemos decir que para
diodos con tensión de ruptura inferior a 9 V. Presentan mejores características
cuando se fabrican por aleación, mientras que cuando las tensiones de ruptura son
superiores a los 12 voltios se fabrican por difusión, para las tensiones entre 9 y 12
voltios el proceso de fabricación depende de otros factores.
9 Proceso de fabricación por aleación:
Este método consiste en calentar a una temperatura de unos 650º, una pequeña
pastilla de cristal de silicio tipo N , a la que se le coloca encima una minúscula
cantidad de material tipo P. Al calentarlos se produce la aleación entre ambos en
una zona de forma circular.
9 Proceso de fabricación por Difusión:
Este tipo de diodos se obtienen depositando en una delgada lamina de cristal de
silicio, boro por una cara (para la formación del materia tipo P ) y por la otra vapor
de fósforo ( para la formación del materia tipo N) el conjunto se introduce en un
horno a una temperatura superior a 1200ºC el calor provocara que en el cristal de
silicio penetre el fósforo por un lado y el boro por el otro, difundiéndose ambos
materiales en el cristal de silicio.
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El tipo de encapsulado es igual que el de los diodos rectificadores. Aunque como
veremos mas adelante no se comportan como ellos, es por eso que en sismología
electrónica la forma de representarlos es también diferente.
Código de identificación del ZENER
Existen tres tipos de identificación de los diodos zener. El mas moderno consiste en
tres letras seguidas de un numero de serie y el valor que hace referencia a la
tensión zener.
1. Es un B, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor de silicio .
2. Es una Z, indica que se trata de un diodo zener.
3. Es una X o Z indica que se trata de aplicaciones profesionales.
Después ira el número de serie indicado por el fabricante y la tensión zener,
utilizando la V como coma decimal. Por ejemplo:
BZX-79-5V1
En ocasiones se le añade una letra más que nos indicara la tolerancia de la tensión
zener, según el siguiente código:
A---- 1%
B---- 2%
C---- 5%
D----10%
E----15%
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Otro código es el que utiliza También tres letras y el numero de serie del
fabricante, siendo
1. Es un O, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor
2. Es AZ, indica que se trata de un diodo zener
3. El numero de serie del fabricante
Y por ultimo el código americano, que al igual que los diodos rectificadores seria:
1N seguido por un número de serie
Diseño del Regulador Zener.
Es importante conocer el intervalo de variación de la tensión de entrada (VAA) y de
la corriente de carga (IL) para diseñar el circuito regulador de manera apropiada.
La resistencia R debe ser escogida de tal forma que el diodo permanezca en el
modo de tensión constante sobre el intervalo completo de variables.
La ecuación del nodo para el circuito de la figura 4 nos dice que:
Para asegurar que el diodo permanezca en la región de tensión constante (ruptura),
se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada – salida:
9 La corriente a través del diodo I es mínima cuando la corriente de carga I es
Z
máxima y la fuente de tensión V
AA
L
es mínima.
9 La corriente a través del diodo I es máxima cuando la corriente de carga I es
Z
L
mínima y la fuente de tensión VAA es máxima.
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Cuando estas características de los dos extremos se insertan en la ecuación (3), se
encuentra:
Igualando las ecuaciones (4) y (5) llegamos a que:
En un problema práctico, es razonable suponer que se conoce el intervalo de
tensiones de entrada, el intervalo de corriente de salida y el valor de la tensión
zener deseada. La ecuación (6) representa por tanto una ecuación con dos
incógnitas, las corrientes zener máxima y mínima. Se encuentra una segunda
ecuación examinando la figura 5. Para evitar la porción no constante de la curva
característica una regla práctica que constituye un criterio de diseño aceptable es
escoger la máxima corriente zener 10 veces mayor que la mínima, es decir:
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La ecuación (6) se podrá entonces reescribir de la siguiente manera:
Resolviendo entonces para la máxima corriente zener, se obtiene:
Ahora que se tiene la máxima corriente zener, el valor de R se puede calcular de
cualquiera de las ecuaciones (4) ó (5). No es suficiente con especificar el valor de R,
también se debe seleccionar la resistencia apropiada capaz de manejar la potencia
estimada. La máxima potencia vendrá dada por el producto de la tensión por la
corriente, utilizando el máximo de cada valor.
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CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR DE VOLTAJE CON ZENER
El diodo zener se puede utilizar para regular una fuente de voltaje.
Este semiconductor se fabrica en una amplia variedad de voltajes y potencias
Estos van desde menos de 2 voltios hasta varios cientos de voltios, y la potencia
que pueden disipar va desde 0.25 watts hasta 50 watts o más.
La potencia que disipa un diodo zener es simplemente la multiplicación del voltaje
para el que fue fabricado por la corriente que circula por él.
Pz = Vz x Iz
Esto significa que la máxima corriente que puede atravesar un diodo zener es:
Iz = Pz/Vz.
9 Donde:
- Iz = Corriente que pasa por el diodo Zener
- Pz = Potencia del diodo zener (dato del fabricante)
- Vz = Voltaje del diodo zener (dato del fabricante)
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APLICACIÓNES.Una de las aplicaciones más usuales de los diodos zener es su utilización como
reguladores de tensión. Los reguladores de tensión se encuentran en todo tipo de
dispositivos y equipos incluyendo la automoción, el gran consumo, informática,
las comunicaciones y la industria médica y de la iluminación.
¿Qué hace un regulador con Zener?
Un regulador con Zener ideal mantiene un voltaje fijo predeterminado, a su salida,
sin importar si varía el voltaje en la fuente de alimentación y sin importar como
varíe la carga que se desea alimentar con este regulador.
La figura 4 muestra el circuito de un diodo usado como regulador.
Este circuito se diseña de tal forma que el diodo zener opere en la región de
ruptura, aproximándose así a una fuente ideal de tensión. El diodo zener está en
paralelo con una resistencia de carga RL y se encarga de mantener constante la
tensión entre los extremos de la resistencia de carga (Vout=VZ), dentro de unos
límites requeridos en el diseño, a pesar de los cambios que se puedan producir en
la fuente de tensión VAA, y en la corriente de carga IL.
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Analicemos a continuación el funcionamiento del circuito.
Consideremos primero la operación del circuito cuando la fuente de tensión
proporciona un valor VAA constante pero la corriente de carga varia. Las corrientes
IL = VZ/RL e IZ están ligadas a través de la ecuación:
Y para las tensiones:
Por lo tanto:
¾ Si VAA y VZ permanecen constantes, VR debe de serlo también (VR = IT ‫ ڄ‬R).
De esta forma la corriente total IT queda fijada a pesar de las variaciones de la
corriente de carga. Esto lleva a la conclusión de que si IL aumenta, IZ disminuye y
viceversa (debido a la ecuación (1)). En consecuencia VZ no permanecerá
absolutamente constante, variará muy poco debido a los cambios de IZ que se
producen para compensar los cambios de I .
L
Si ahora lo que permanece constante es la corriente de carga y la fuente de tensión
VAA varía, un aumento de ésta produce un aumento de IT y por tanto de IZ pues IL
permanece constante, y lo contrario si se produjera una disminución de VAA.
Tendríamos lo mismo que antes, una tensión de salida prácticamente constante, las
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pequeñas variaciones se producirían por las variaciones de I para compensar las
Z
variaciones de VAA.
REGULADOR DE TENSIÓN EN VACÍO (SIN CARGA)
Él estará entre un mínimo y un máximo, y el
regulador tiene que funcionar bien entre esos 2
valores (vSmáx y vSmín).En este caso vS lo
pondremos
como
una
pila
variable.
Además para que funcione correctamente el zener tiene que trabajar en la zona de
ruptura.
Para que esté en ruptura se tiene que cumplir:
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Escuela
Professional de Ingeeniería Eléctricca
Facultad
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15 Proyyecto Final de Circuittos Electrónicos
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Como en el anterior caso los valores del circuito tienen que estar entre un máximo
y un mínimo:
El zener absorbe la corriente sobrante (IZ variable) y la resistencia (R) la tensión
sobrante. Entonces a la salida la forma de la onda es la siguiente:
•
2ª APROXIMACIÓN:
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El circuito equivalente sería de la siguiente forma:
A ese circuito se le aplica la superposición:
Como la superposición es la suma de estos 2 circuitos la solución será esta:
Con esto se ve que lo que hace el zener es "Amortiguar el rizado".
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REGULADOR DE TENSION CON UN TRANSISTOR
En este circuito la corriente de entrada sigue los cambios de la corriente por la
carga, sin embargo, en el regulador paralelo la corriente por la carga se mantenía
constante. Al haber sustituido la resistencia serie por un transistor, este regulador
tiene un mayor rendimiento que el anteriormente visto, por lo que se utiliza en
circuitos de mayor potencia. Si se produce una baja en el valor de la resistencia de
carga, la corriente de entrada al circuito estabilizador aumenta y por donde,
también aumenta la corriente por la resistencia R1, como el diodo zener mantiene
su tensión constante, aumenta la caída de tensión en R1, con lo que la tensión
colector-base del transistor aumenta, volviéndose menos conductivo, y
estabilizando el aumento inicial de corriente.
Probador / Medidor de Diodos Zener
Con el avance del tiempo los componentes electrónicos van mejorando tanto en su
calidad como en su empaque, pero esto no sucede en los diodos zener, los cuales
son casi imposible de identificar por su encapsulado carente de inscripciones. Para
suplir esa falta presentamos este práctico instrumento de taller que nos permitirá
saber el valor de un diodo y, al mismo tiempo, si esta funcionando correctamente.
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El circuito consta de dos secciones. La primera se encarga de oscilar sobre el
bobinado de baja tensión de un transformador de alimentación. En su bobinado de
220v se presenta una tensión acorde al ajuste del oscilador, efectuado por el
potenciómetro de 10K. Rectificada y filtrada, la tensión resultante es limitada en
corriente y aplicada al zener, el cual cortará en el nivel de voltaje para el cual está
fabricado. Con un voltímetro de continua podremos saber, entonces, el valor de esa
tensión.
Forma de uso:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Colocar el zener a medir en los bornes de prueba
Girar el potenciómetro a su mínimo recorrido (que quede en 10K)
Encender el instrumento (en caso de ser un tester)
Encender el probador de zener
Comenzar a girar el potenciómetro
La tensión en el instrumento aumentará gradualmente
Donde se detenga la cresta será la tensión de trabajo del diodo
Dada su simpleza este circuito puede ser armado sobre una regleta de conexiones o
en una placa universal sin problema alguno. Si alguien decide diseñar un circuito
impreso y nos lo envía, desde ya muchas gracias
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