Circuitos de diodos Zener, características, cálculos

Los diodos Zener, que llevan el nombre de su inventor, el Dr. Carl Zener, se utilizan fundamentalmente en circuitos electrónicos para generar referencias de voltaje precisas. Estos son dispositivos que pueden crear un voltaje prácticamente constante a través de ellos independientemente de las variaciones en las situaciones de voltaje y circuito.

Externamente, puede encontrar diodos Zener muy similares a diodos estándar como 1N4148. Los diodos Zener también funcionan rectificando CA en CC pulsante como sus alternativas tradicionales. Sin embargo, a diferencia de los diodos rectificadores estándar, los diodos Zener están configurados con su cátodo conectado directamente con el positivo de la fuente y el ánodo con la fuente negativa.

Caracteristicas

En su configuración estándar, los diodos Zener exhiben una alta resistencia por debajo de un voltaje crítico particular (conocido como voltaje Zerier). Cuando se supera este voltaje crítico específico, la resistencia activa del diodo Zener cae a un nivel extremadamente bajo.

Y a este bajo valor de resistencia, se mantiene un voltaje constante efectivo a través de los Zener, y se puede esperar que este voltaje constante se mantenga independientemente de cualquier cambio en la fuente de corriente.

En palabras simples, siempre que el suministro a través del diodo Zener excede el valor Zener nominal, el diodo Zener conduce y conecta a tierra el exceso de voltaje. Debido a esto, el voltaje cae por debajo del voltaje zener que apaga el zener, y el suministro una vez más intenta exceder el voltaje zener, encendiendo el zener una vez más. Este ciclo se repite rápidamente, lo que finalmente da como resultado la estabilización de la salida exactamente a un valor de voltaje zener constante.

Esta característica se resalta gráficamente en la siguiente figura que indica que por encima del 'voltaje Zener' el voltaje inverso continúa siendo casi constante incluso con variaciones en la corriente inversa. Como resultado, los diodos Zener se utilizan a menudo para obtener una caída de voltaje constante, o voltaje de referencia, con su resistencia interna.

Los diodos Zener están diseñados en muchas potencias nominales y con tensiones nominales que van desde 2,7 voltios a 200 voltios. (Sin embargo, en su mayoría, los diodos Zener con valores muy por encima de 30 voltios casi nunca se utilizan).

Funcionamiento básico del circuito de diodo Zener

Un circuito regulador de voltaje estándar, que utiliza una sola resistencia y un diodo Zener, se puede ver en la siguiente imagen. Aquí, supongamos que el valor del diodo Zener es 4.7 V y el voltaje de suministro V en es 8.0 V.

El funcionamiento básico de un diodo Zener se puede explicar con los siguientes puntos:

En ausencia de una carga a través de la salida del diodo Zener, se puede ver una caída de 4.7 voltios a través del diodo Zener mientras se desarrolla un corte de 2.4 voltios a través de la resistencia R.

Ahora, en caso de que se altere el voltaje de entrada, imaginemos que de 8.0 a 9.0 V hará que la caída de voltaje en el Zener aún mantenga los 4.7 V.

Sin embargo, la caída de voltaje a través de la resistencia R podría verse aumentada, de 2.4 V a 3.4 V.

Se puede esperar que la caída de voltaje en un Zener ideal sea bastante constante. Prácticamente, puede encontrar que el voltaje a través del Zener aumenta ligeramente debido a la resistencia dinámica del Zener.

El procedimiento mediante el cual se calcula el cambio en el voltaje Zener es multiplicando la resistencia dinámica Zener por el cambio en la corriente Zener.

La resistencia R1, en el diseño de regulador básico anterior, simboliza la carga preferida que se puede conectar con el zener. R1 en esta conexión extraerá cierta cantidad de corriente que se movía a través del Zener.

Dado que la corriente en Rs será más alta que la corriente que ingresa a la carga, una cantidad de corriente continuará pasando a través del Zener permitiendo un voltaje perfectamente constante a través del Zener y la carga.

La resistencia en serie indicada Rs debe determinarse de tal manera que la corriente más baja que ingrese al Zener sea siempre mayor que el nivel mínimo especificado para una regulación estable del Zener. Este nivel comienza justo debajo de la 'rodilla' de la curva de voltaje inverso / corriente inversa como se aprendió en el diagrama gráfico anterior.

Además, debe asegurarse de que la selección de Rs garantice que la corriente que pasa a través del diodo Zener nunca supere su clasificación de potencia: que puede ser equivalente al voltaje Zener x la corriente Zener. Es la mayor cantidad de corriente que puede pasar a través del diodo Zener en ausencia de la carga R1.

Cómo calcular diodos Zener

Diseñar un circuito zener básico es realmente simple y se puede implementar a través de las siguientes instrucciones:

1. Determine la corriente de carga máxima y mínima (Li), por ejemplo, 10 mA y 0 mA.
2. Determine la tensión de alimentación máxima que puede desarrollarse, por ejemplo, un nivel de 12 V, asegurándose también de que la tensión de alimentación mínima sea siempre = 1,5 V + Vz (la clasificación de tensión zener).
3. Como se indica en el diseño del regulador básico, el voltaje de salida requerido que es el voltaje Zener equivalente Vz = 4.7 Voltios, y el voltaje seleccionado la corriente Zener más baja es de 100 microamperios . Esto implica que la corriente Zener máxima prevista aquí es de 100 microamperios más 10 miliamperios, que es de 10,1 miliamperios.
4. La resistencia en serie Rs debe permitir la cantidad mínima de corriente de 10,1 mA incluso cuando el suministro de entrada es el nivel más bajo especificado, que es 1,5 V más alto que el valor zener seleccionado Vz, y se puede calcular utilizando la ley de Ohm como: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 ohmios. El valor estándar más cercano parece ser 150 ohmios, por lo que Rs puede ser 150 ohmios.
5. Si el voltaje de suministro aumenta a 12 V, la caída de voltaje en Rs será Iz x Rs, donde Iz = corriente a través del Zener. Por lo tanto, aplicando la ley de Ohm obtenemos Iz = 12 - 4.7 / 150 = 48.66 mA
6. Lo anterior es la corriente máxima que se permitirá pasar a través del diodo Zener. En otras palabras, la corriente máxima que puede fluir durante la carga de salida máxima o la entrada de voltaje de suministro máxima especificada. En estas condiciones, el diodo Zener disipará una potencia de Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. El valor nominal de potencia estándar más cercano para cumplir con esto es 400 mW.

Efecto de la temperatura en los diodos Zener

Junto con los parámetros de voltaje y carga, los diodos Zener también son bastante resistentes a las variaciones de temperatura a su alrededor. Sin embargo, por encima de cierto grado, la temperatura puede tener algún efecto en el dispositivo, como se indica en el siguiente gráfico:

Muestra la curva del coeficiente de temperatura del diodo Zener. Aunque a voltajes más altos, la curva del coeficiente responde alrededor de 0,1% por grado Celsius, pasa de cero a 5 V y luego se vuelve negativa para los niveles de voltaje más bajos. Finalmente, alcanza el -0,04% por grado Celsius a alrededor de 3,5 V.

Usando el diodo Zener como sensor de temperatura

Un buen uso de la sensibilidad del diodo Zener al cambio de temperatura es aplicar el dispositivo como un dispositivo sensor de temperatura como se muestra en el siguiente diagrama

El diagrama muestra una red de puente construida con un par de resistencias y un par de diodos Zener que tienen características idénticas. Uno de los diodos Zener funciona como un generador de voltaje de referencia, mientras que el otro diodo Zener se usa para detectar los cambios en los niveles de temperatura.

Un Zener estándar de 10 V puede tener un coeficiente de temperatura de + 0,07% / ° C que puede corresponder a una variación de temperatura de 7 mV / ° C. Esto creará un desequilibrio de alrededor de 7 mV entre los dos brazos del puente por cada variación de un grado Celsius en la temperatura. Se puede usar un medidor FSD completo de 50 mV en la posición indicada para mostrar las lecturas de temperatura correspondientes.

Personalización del valor del diodo Zener

Para algunas aplicaciones de circuitos, puede ser necesario tener un valor zener preciso que puede ser un valor no estándar o un valor que no está disponible fácilmente.

Para tales casos, se puede crear una matriz de diodos Zener que luego se pueden usar para obtener un valor de diodo Zener personalizado deseado, como se muestra a continuación:

En este ejemplo, se pueden adquirir muchos valores zener personalizados y no estándar en los distintos terminales, como se describe en la siguiente lista:

Puede usar otros valores en las posiciones indicadas para obtener muchos otros conjuntos personalizados de salida de diodo Zener

Diodos Zener con suministro de CA

Los diodos Zener se utilizan normalmente con suministros de CC, sin embargo, estos dispositivos también pueden diseñarse para funcionar con suministros de CA. Algunas aplicaciones de CA de los diodos Zener incluyen audio, circuitos de RF y otras formas de sistemas de control de CA.

Como se muestra en el siguiente ejemplo, cuando se utiliza una fuente de CA con un diodo Zener, el Zener se conducirá instantáneamente tan pronto como la señal de CA pase de cero a la mitad negativa de su ciclo. Porque, la señal es negativa, por lo tanto, la CA se acortará a través del ánodo al cátodo del zener, lo que hará que aparezcan 0 V en la salida.

Cuando el suministro de CA se mueve a través de la mitad positiva del ciclo, el zener no conduce hasta que el CA sube al nivel de voltaje del zener. Cuando la señal de CA cruza el voltaje zener, el zener conduce y estabiliza la salida a un nivel de 4,7 V, hasta que el ciclo de CA vuelve a cero.

Recuerde, mientras usa Zener con una entrada de CA, asegúrese de que Rs se calcule según el voltaje pico de CA.

En el ejemplo anterior, la salida no es simétrica, sino una pulsación de 4,7 V CC. Para obtener una CA de 4,7 V simétrica en la salida, se pueden conectar dos zeners espalda con espalda como se muestra en el siguiente diagrama

Suprimir el ruido del diodo Zener

Aunque los diodos Zener brindan una manera rápida y fácil de crear salidas de voltaje fijo estabilizadas, tienen un inconveniente que puede afectar los circuitos de audio sensibles como los amplificadores de potencia.

Los diodos Zener generan ruido durante su funcionamiento debido a su efecto de avalancha de unión durante la conmutación, que van desde 10 uV a 1 mV. Esto se puede eliminar agregando un capacitor en paralelo con el diodo Zener, como se muestra a continuación:

El valor del capacitor puede estar entre 0.01uF y 0.1uF, lo que permitirá la supresión de ruido por un factor de 10 y mantendrá la mejor estabilización de voltaje posible.

El siguiente gráfico muestra el efecto del capacitor para reducir el ruido del diodo Zener.

Uso de Zener para filtrado de voltaje de ondulación

Los diodos Zener también se pueden aplicar como filtros de voltaje de ondulación efectivos, tal como se usa para la estabilización de voltaje de CA.

Debido a su impedancia dinámica extremadamente baja, los diodos Zener pueden funcionar como un filtro de ondulación de la misma manera que lo hace un condensador de filtro.

Se puede obtener un filtrado de ondulación muy impresionante conectando un diodo Zener a través de la carga, con cualquier fuente de CC. Aquí, el voltaje debe ser el mismo que el nivel mínimo de ondulación.

En la mayoría de las aplicaciones de circuitos, esto puede funcionar tan eficazmente como un condensador de suavizado típico que tiene varios miles de microfaradios de capacidad, lo que da como resultado una reducción significativa en el nivel de voltaje de ondulación superpuesto a la salida de CC.

Cómo aumentar la capacidad de manejo de potencia del diodo Zener

Una forma fácil de aumentar la capacidad de manejo de potencia del diodo Zener es probablemente simplemente conectarlos en paralelo como se muestra a continuación:

Sin embargo, en la práctica, esto puede no ser tan simple como parece y puede que no funcione como se esperaba. Esto se debe a que, al igual que cualquier otro dispositivo semiconductor, los zener nunca vienen con características exactamente idénticas, por lo tanto, uno de los zener puede conducir antes que el otro atrayendo toda la corriente a través de sí mismo, eventualmente destruyéndose.

Una forma rápida de contrarrestar este problema puede ser agregar resistencias en serie de valores bajos con cada diodo Zener como se muestra a continuación, lo que permitirá que cada diodo Zener comparta la corriente de manera uniforme a través de la compensación de las caídas de voltaje generadas por las resistencias R1 y R2:

Aunque la capacidad de manejo de energía se puede aumentar conectando diodos Zener en paralelo, un enfoque mucho mejorado puede ser agregar un BJT en derivación junto con un diodo Zener configurado como fuente de referencia. Consulte el siguiente esquema de ejemplo para el mismo.

Agregar un transistor de derivación no solo mejora la capacidad de manejo de potencia Zener en un factor de 10, sino que mejora aún más el nivel de regulación de voltaje de la salida, que puede ser tan alto como la ganancia de corriente especificada del transistor.

Este tipo de regulador zener de transistor en derivación se puede utilizar con fines experimentales porque el circuito presenta una instalación a prueba de cortocircuitos al 100%. Dicho esto, el diseño es bastante ineficiente porque el transistor puede disipar una cantidad significativa de corriente en ausencia de carga.

Para obtener mejores resultados, transistor de paso en serie El tipo de regulador que se muestra a continuación parece una mejor opción y preferible.

En este circuito, el diodo Zener crea un voltaje de referencia para el transistor de paso en serie, que, esencialmente, funciona como un seguidor emisor . Como resultado, el voltaje del emisor se mantiene entre unas pocas décimas de voltio del voltaje base del transistor creado por el diodo Zener. En consecuencia, el transistor funciona como un componente en serie y permite un control eficaz de las variaciones de tensión de alimentación.

Toda la corriente de carga ahora se ejecuta a través de este transistor en serie. La capacidad de manejo de potencia de este tipo de configuración se establece totalmente por el valor y la especificación de los transistores, y también depende de la eficiencia y calidad del disipador utilizado.

Se podría lograr una excelente regulación a partir del diseño anterior utilizando una resistencia de la serie 1k. La regulación podría aumentarse con un factor de 10 reemplazando el zener normal con un diodo zener especial de baja dinámica como un 1N1589).

En caso de que desee que el circuito anterior proporcione una salida regulada por voltaje variable, podría lograrse fácilmente utilizando un potenciómetro de 1K en el diodo Zener. Esto permite ajustar un voltaje de referencia variable en la base del transistor en serie.

Sin embargo, esta modificación puede resultar en una menor eficiencia de regulación debido a algún efecto de derivación creado por el potenciómetro.

Circuito de diodo Zener de corriente constante

Se puede diseñar un suministro de corriente constante simple regulado por Zener a través de un solo transistor como una resistencia en serie variable. La siguiente figura muestra el diagrama de circuito básico.

Puede ver un par de pasajes de circuito aquí, uno a través del diodo Zener conectado en serie con la resistencia de polarización, mientras que el otro camino es a través de las resistencias R1, R2 y el transistor en serie.

En caso de que la corriente se desvíe de su rango original, crea un cambio proporcional en el nivel de polarización de R3, que a su vez hace que la resistencia del transistor en serie aumente o disminuya proporcionalmente.

Este ajuste en la resistencia del transistor da como resultado una corrección automática de la corriente de salida al nivel deseado. La precisión del control de corriente en este diseño será de alrededor de +/- 10% en respuesta a condiciones de salida que pueden oscilar entre un cortocircuito y una carga de hasta 400 ohmios.

Circuito de conmutación de relé secuencial con diodo Zener

Si tiene una aplicación en la que se requiere que un conjunto de relés se cambien secuencialmente uno tras otro en el interruptor de encendido en lugar de activarse todos juntos, entonces el siguiente diseño puede resultar bastante útil.

Aquí, los diodos Zener de incremento secuencial se instalan en serie con un grupo de relés junto con resistencias en serie individuales de bajo valor. Cuando se enciende la energía, los diodos Zener conducen uno tras otro en secuencia en un orden creciente de sus valores Zener. Esto da como resultado que el relé se encienda en la secuencia deseada por la aplicación. Los valores de las resistencias pueden ser de 10 ohmios o 20 ohmios dependiendo del valor de resistencia de la bobina del relé.

Circuito de diodo Zener para protección contra sobretensión

Debido a su característica sensible al voltaje, es posible combinar diodos Zener con la característica sensible a la corriente de los fusibles para proteger los componentes cruciales del circuito de sobretensiones y, además, eliminar la molestia de que el fusible se queme con frecuencia, lo que puede suceder especialmente cuando un fusible tiene una clasificación está muy cerca de la especificación de corriente de funcionamiento del circuito.

Al unir un diodo Zener correctamente clasificado a través de la carga, se puede emplear un fusible que tenga la clasificación adecuada para manejar la corriente de carga prevista durante períodos prolongados. En esta situación, suponga que el voltaje de entrada aumenta en un grado que excede el voltaje de ruptura Zener, lo que obligará al diodo Zener a conducir. Esto provocará un aumento repentino de la corriente que fundirá el fusible casi instantáneamente.

La ventaja de este circuito es que evita que el fusible se queme con frecuencia e impredeciblemente debido a su valor de fusión cercano a la corriente de carga. En cambio, el fusible se funde solo cuando el voltaje y la corriente realmente se elevan más allá de un nivel inseguro especificado.

Circuito de protección contra subtensión con diodo Zener

Un relé y un diodo Zener adecuadamente seleccionado son suficientes para crear un circuito de protección de corte de voltaje bajo o bajo voltaje preciso para cualquier aplicación deseada. El diagrama de circuito se presenta a continuación:

La operación es realmente muy simple, el suministro Vin que se adquiere de una red de puentes de transformadores varía proporcionalmente dependiendo de las variaciones de CA de entrada. Eso implica, si supongamos que 220 V corresponde a 12 V del transformador, entonces 180 V debería corresponder a 9,81 V y así sucesivamente. Por lo tanto, si se supone que 180 V es el umbral de corte de bajo voltaje, entonces seleccionar el diodo Zener como un dispositivo de 10 V cortará el funcionamiento del relé siempre que la entrada de CA caiga por debajo de 180 V.