Los diodos Zener son diodos de unión PN normales que operan en una condición de polarización inversa. El funcionamiento del diodo Zener es similar a un diodo de unión PN en condición de polarización de reenvío, pero la singularidad radica en el hecho de que también puede conducir cuando está conectado en polarización inversa por encima de su umbral / voltaje de ruptura. Estos se encuentran entre los tipos básicos de diodos utilizado con frecuencia, aparte de los diodos normales.
Funcionamiento del diodo Zener
Diodo semiconductor en condición de polarización inversa
Si puede recordar, un diodo de unión PN simple está formado por una combinación de material semiconductor tipo p con un material semiconductor tipo n. Cuando un lado de un cristal semiconductor está dopado con impurezas donantes y el otro lado con impurezas aceptoras, se forma una unión PN.
Diodo semiconductor imparcial
En condiciones normales, los huecos del lado p tienden a difundirse a una región de baja concentración y lo mismo sucede con los electrones del lado n.
Así, los huecos se difunden hacia el lado ny los electrones se difunden hacia el lado p. Esto da como resultado la acumulación de cargas alrededor de la unión, formando una región de agotamiento.
Diodo semiconductor imparcial
Se forma una polaridad eléctrica o dipolo eléctrico a través de la unión, lo que provoca el flujo de flujo desde el lado n lado superior. Esto da como resultado una intensidad variable del campo eléctrico negativo, lo que genera un potencial eléctrico a través de la unión. Este potencial eléctrico es en realidad el voltaje umbral del diodo y es de alrededor de 0,6 V para el silicio y 0,2 V para el germanio. Esto actúa como una barrera potencial para el flujo de portadores de carga mayoritarios y el dispositivo no conduce.
Ahora, cuando un diodo normal está polarizado de manera que se aplica un voltaje negativo al lado ny un voltaje positivo al lado p, se dice que el diodo está en condición de polarización directa. Este voltaje aplicado tiende a disminuir la barrera de potencial después de que supera el voltaje umbral.
En este punto y después, la mayoría de los portadores cruzan la barrera de potencial y el dispositivo comienza a conducir con el flujo de corriente a través de él.
Cuando el diodo está polarizado en una condición inversa a la anterior, el voltaje aplicado es tal que aumenta la barrera de potencial y dificulta el flujo de la mayoría de los portadores. Sin embargo, permite el flujo de portadores minoritarios (huecos en el tipo ny electrones en el tipo p). A medida que aumenta este voltaje de polarización inversa, la corriente inversa tiende a aumentar gradualmente.
En cierto punto, este voltaje es tal que provoca la ruptura de la región de agotamiento, lo que provoca un aumento masivo en el flujo de corriente. Aquí es donde entra en juego el funcionamiento del diodo Zener.
El principio detrás del funcionamiento del diodo Zener
Como se indicó anteriormente, el principio básico detrás del funcionamiento de un diodo Zener radica en la causa de la avería de un diodo en condición de polarización inversa. Normalmente hay dos tipos de averías: Zener y Avalanche.
Principio detrás del funcionamiento del diodo zener
Desglose Zener
Este tipo de avería se produce para una tensión de polarización inversa entre 2 y 8 V. Incluso a este bajo voltaje, la intensidad del campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para ejercer una fuerza sobre los electrones de valencia del átomo de manera que estén separados de los núcleos. Esto da como resultado la formación de pares de agujeros de electrones móviles, lo que aumenta el flujo de corriente a través del dispositivo. El valor aproximado de este campo es de aproximadamente 2 * 10 ^ 7 V / m.
Este tipo de ruptura ocurre normalmente para un diodo altamente dopado con bajo voltaje de ruptura y un campo eléctrico más grande. A medida que aumenta la temperatura, los electrones de valencia ganan más energía para romper el enlace covalente y se requiere menos cantidad de voltaje externo. Por lo tanto, el voltaje de ruptura Zener disminuye con la temperatura.
Desglose por avalancha
Este tipo de avería se produce con una tensión de polarización inversa superior a 8 V y superior. Ocurre para diodos ligeramente dopados con un gran voltaje de ruptura. A medida que los portadores de carga minoritarios (electrones) fluyen a través del dispositivo, tienden a chocar con los electrones en el enlace covalente y provocan la ruptura del enlace covalente. A medida que aumenta el voltaje, la energía cinética (velocidad) de los electrones también aumenta y los enlaces covalentes se rompen más fácilmente, lo que provoca un aumento en los pares de electrones y huecos. El voltaje de ruptura de avalancha aumenta con la temperatura.
3 aplicaciones del diodo Zener
1. Diodo Zener como voltaje
En un circuito de CC, el diodo Zener se puede utilizar como regulador de voltaje o para proporcionar referencia de voltaje. El uso principal del diodo Zener radica en el hecho de que el voltaje a través de un diodo Zener permanece constante para un cambio mayor en la corriente. Esto hace posible utilizar un diodo Zener como dispositivo de voltaje constante o regulador de voltaje.
En cualquier circuito de alimentación , se utiliza un regulador para proporcionar un voltaje de salida (carga) constante independientemente de la variación en el voltaje de entrada o la variación en la corriente de carga. La variación en el voltaje de entrada se llama regulación de línea, mientras que la variación en la corriente de carga se llama regulación de carga.
Diodo Zener como regulador de voltaje
Un circuito simple que involucra un diodo Zener como regulador requiere una resistencia de valor bajo conectada en serie con la fuente de voltaje de entrada. El valor bajo es necesario para permitir el máximo flujo de corriente a través del diodo, conectado en paralelo. Sin embargo, la única restricción es que la corriente a través del diodo Zener no debe ser menor que la corriente mínima del diodo Zener. En pocas palabras, para un voltaje de entrada mínimo y una corriente de carga máxima, la corriente del diodo Zener siempre debe ser Izmin.
Al diseñar un regulador de voltaje usando un diodo Zener, este último se elige con respecto a su potencia máxima. En otras palabras, la corriente máxima a través del dispositivo debe ser: -
yomax= Potencia / Voltaje Zener
Dado que se conoce el voltaje de entrada y el voltaje de salida requerido, es más fácil elegir un diodo Zener con un voltaje aproximadamente igual al voltaje de carga, es decir, Vz ~ = Vo.
El valor de la resistencia en serie se elige para ser
R = (Ven- Vcon)/(Izmin+ YoL), dondeL= Tensión de carga / Resistencia de carga.
Tenga en cuenta que para voltajes de carga de hasta 8 V, se puede utilizar un solo diodo Zener. Sin embargo, para voltajes de carga superiores a 8 V, que requieren voltajes Zener de un valor de voltaje más alto, es aconsejable utilizar un diodo polarizado hacia adelante en serie con el diodo Zener. Esto se debe a que el diodo Zener a un voltaje más alto sigue el principio de ruptura de avalancha, teniendo una temperatura positiva del coeficiente.
Por tanto, se utiliza un diodo de coeficiente de temperatura negativo para la compensación. Por supuesto, en estos días, se utilizan diodos Zener con compensación de temperatura prácticos.
2. Diodo Zener como referencia de voltaje
Diodo Zener como referencia de voltaje
En fuentes de alimentación y muchos otros circuitos, el diodo Zener encuentra su aplicación como proveedor de voltaje constante o como referencia de voltaje. Las únicas condiciones son que el voltaje de entrada debe ser mayor que el voltaje Zener y la resistencia en serie debe tener un valor mínimo tal que la corriente máxima fluya a través del dispositivo.
3. Diodo Zener como regulador de voltaje
En un circuito que involucra la fuente de entrada de CA, diferente de la normal Circuito de sujeción de diodo PN , también se puede utilizar un diodo Zener. El diodo se puede utilizar para limitar el pico del voltaje de salida al voltaje Zener en un lado y a aproximadamente 0 V en el otro lado de la forma de onda sinusoidal.
diodo zener como abrazadera de voltaje
En el circuito anterior, durante el semiciclo positivo, una vez que el voltaje de entrada es tal que el diodo Zener tiene polarización inversa, el voltaje de salida es constante durante una cierta cantidad de tiempo hasta que el voltaje comienza a disminuir.
Ahora, durante el semiciclo negativo, el diodo Zener está en conexión polarizada de reenvío. A medida que el voltaje negativo aumenta hasta el voltaje umbral de reenvío, el diodo comienza a conducir y el lado negativo del voltaje de salida se limita al voltaje umbral.
Tenga en cuenta que para obtener un voltaje de salida solo en rango positivo, use dos diodos Zener polarizados en forma opuesta en serie.
Aplicaciones de trabajo del diodo Zener
Con la creciente popularidad de los teléfonos inteligentes, proyectos basados en android son los preferidos en estos días. Estos proyectos implican el uso de Bluetooth dispositivos basados en tecnología. Estos dispositivos Bluetooth requieren aproximadamente 3 V de voltaje para funcionar. En tales casos, se utiliza un diodo Zener para proporcionar una referencia de 3 V al dispositivo Bluetooth.
Aplicación de trabajo del diodo Zener que involucra un dispositivo Bluetooth
Otra aplicación implica el uso de diodo Zener como regulador de voltaje. Aquí el voltaje de CA es rectificado por el diodo D1 y filtrado por el capacitor. Este voltaje de CC filtrado está regulado por el diodo para proporcionar un voltaje de referencia constante de 15 V. Este voltaje de CC regulado se utiliza para impulsar el circuito de control, utilizado para controlar la conmutación de la luz, como en un sistema automatizado de control de iluminación.
Aplicación de regulación de voltaje de diodo Zener
Esperamos haber podido proporcionar información precisa pero esencial sobre el funcionamiento del diodo Zener y sus aplicaciones. Aquí hay una pregunta simple para los lectores: ¿Por qué se prefieren los circuitos integrados reguladores sobre el diodo Zener en la fuente de alimentación de CC regulada?
Dé sus respuestas y, por supuesto, sus comentarios en la sección de comentarios a continuación.
Créditos fotográficos
- Diodo Zener trabajando por aprender sobre electrónica
- Diodo semiconductor imparcial por wikimedia
- Principio detrás del funcionamiento del diodo Zener que-cuando-como
