5. El diodo zener estabilizacion

Diodozener
Los diodos zener se fabrican mediante un aumento de la concentración de impurezas de la unión. Algunos de los símbolos que se utilizan para representarlos
son los que se muestran en la figura 14a. El símbolo que habitualmente utilizaremos es el de la figura 14b.
Cátodos
t
*
Ánodos
Cátodo
Ánodo
b
a
Fig. 14. Símbolos del diodo zener: a} formas usuales; b} símbolo que usaremos habitualmente.
Aunque
el diodo zener polarizado directamente se comporta de forma similar
normal, lo habitual es hacerla trabajar en polarizatfirtJ"inversa, con el fin de aprovechar sus propiedades (fig. 15).
que.un diodo semiconductor
,.
+
+
Fig. 15. Equivalencia
entre diodo zener y diodo semiconductor
polarizados
directamente.
Vamos a estudiar las diferencias existentes entre los diodos semiconductores
normales polarizados inversamente (efecto avalancha) y los zener (efecto zener).
VavalanCha
Efecto avalancha
o
Hasta ahora hemos visto que un diodo semiconductor
no conduce cuando está polarizado inversamente. El
motivo es que, con esta polarización, la barrera de potencial se ensancha y deja sin portadores mayoritarios
a los cristales semiconductores
P y N, lo que hace imposible la conducción. Tan sólo los portadores minoritarios provocan una pequeña corriente de fugas, que
en condiciones normales se considera despreciable.
En estas condiciones, cuando aumentamos la tensión
inversa de polarización, la corriente de fugas apenas
aumenta, como se puede observar en la gráfica de la
figura 16.
<t- ~
185
Fig. 16. Gréiice de un diodo
ooterizedo inversemente.
semiconductor
Pero, ¿qué ocurre si el aumento de tensión inversa es tan exagerado que proporciona suficiente energía a los enlaces covalentes como para romperlos? Al romperse un enlace covalente, el electrón que se libera tiene suficiente energía para
chocar y romper otro enlace. Ello libera otro electrón que vuelve a chocar, y así
sucesivamente hasta que se provoca una avalancha incontrolada de rupturas de
enlaces covalentes que destruye la unión PN (fig. 17). Este proceso recibe el nombre de efecto avalancha.
P
N
@I@
I
@
G1G)
G>
Q1e
I
GIG)
G
@
+
Fig. 17. Efecto avalancha ..
En los diodos semiconductores normales, la tensión inversa a la que se produce
el efecto avalancha se llama tensión de ruptura y toma valores del orden de cientos de voltios. Como se observa en la figura 16, una vez alcanzado este valor de
tensión, la corriente inversa crece incontroladamente, hasta infinito, lo cual destruye el diodo.
Efecto zener
Si en un diodo semiconductor normal se aumenta la concentración de impurezas, la curva de avalancha de la figura 16 suaviza su trayectoria, para convertirse
en la de la figura 18. En ella se
observa que, al alcanzar la tensión de ruptura, la corriente ino
versa no pasa a ser infinita,
aunque aumenta enormemente. Pero todavía se dispone de
I
unas décimas de voltio en las
I
I
cuales los incrementos de coI
rriente son muy grandes, aunI
que no destruyen la unión,
I
I
siempre que no se sobrepasen
~RI
-. zener
eqron
ciertos límites.
I
I
I
I
I
----~-------------1V
Fis¡. 18. Curva característica
IR
~I
186
zenet.
del diodo
El motivo de estos nuevos resultados es que el enriquecimiento en impurezas de
la unión PN se traduce en un aumento de los iones, lo que hace la barrera de potencial más estrecha (fig. 19).
+
N
+
@
@@ @@
~
@
(i)@ G>9
(j
N
@.
@
@
Fig. 19. Comparación de la anchura de la barrera de potencial
mente: a) diodo zener; b) diodo semiconductor normal.
@@ 6)@
@@ 0€1
@0 00
@@ 00
@@ ea
de un diodo zener y un diodo normal polarizados
A este nuevo efecto S;9 le denomina efecto zener, y a diferencia del de avalancha,
es controlable. La tensión que en el diodo semiconductor normal se llamaba de
ruptura ahora pasa a llamarse tensión zener (Vz).
La tensión zener
La tensión zener es la principal característica identificativa de este tipo de diodos,
que queda definida como el valor de voltaje al cual se produce el efecto zéner
(fig. 18). Es única para cada diodo zener. Los valores comerciales normales oscilan entre 2 y 200 voltios.
Cuando en un diodo polarizado inversamente se alcanza el valor de la tensión zener, la corriente inversa aumenta de forma considerable. Mientras se trabaja en
esta región, se producen grandes variaciones de intensidad para pequeñas variaciones de tensión. Por ello se debe tener la precaución de no superar la corriente
máxima indicada por el fabricante.
La corriente del zener mínima (lZmin) es el menor valor de intensidad que mantiene al diodo dentro de la región zener. Viene determinado por el fabricante y es
importante conocerlo, ya que determina el punto de menor consumo en el que se
mantiene la estabilidad.
A la vista del funcionamiento del diodo zener, se puede deducir que se comporta
como una resistencia, cuyo valor varía en función de la tensión presente entre
sus bornes, ya que su curva de respuesta en la región zener es lineal.
Comportamiento
del diodo zener como regulador
Al principio de la unidad vimos cómo se estabilizaba la tensión de salida de una
fuente de alimentación mediante el uso de un potenciómetro.
Sobre la curva característica inversa de un diodo zener de 9 voltios y 1/2 vatio
(fig. 20), veremos cómo el zener se comporta como aquel potenciómetro, pero regula el valor de su resistencia interna de forma automática.
í87
~-r'
p
inversa-
----~
-
~.
Limi
Margen de regulación
~I
1••
I
I
Unol
es la
rrie .
rnent
con,
I
9,5
9,25
9
I
~----
Tensión zener
5
carar
Potencia mínima
45mW
Potencia media
231,25mW
_L
Rmed=370n
_
25
1
I
I
I
I
Potencia máxima
475mW
I
Rmin = 190
n
~_L
I
_
50
Fig. 20. El zener como potenciómetro
automático.
Para simplificar el proceso, estudiaremos sólo tres puntos de la gráfica, situados
en zonas de pequeña, mediana y elevada potencia.
-
-
-
La tensión zener tiene un valor de 9 V. Según las curvas, la intensidad inversa
(lz min) en la zona de baja potencia es 5 mA. Luego la resistencia equivalente
es Rz = VII = 1 800 n. En este caso, la potencia que disipa el diodo zener son
Pz = V . 1= 45 mW.
Supongamos ahora que ha aumentado la tensión dentro del margen de regulación a 9,25 V. Según las curvas, la corriente inversa es ahora 25 mA.
(Observa el gran incremento de intensidad para el pequeño incremento de
tensión.) Calculamos la resistencia equivalente Rz = VII = 370 n y la nueva
potencia disipada es ahora Pz = V . 1= 231,25 mW. Es una zona de potencia
intermedia.
En
má;
m·
EJc
lIa
bri
tab
Eje
¿eL
Si la tensión crece hasta 9,5 voltios, límite máximo del margen de regulación,
la corriente aumenta hasta 50 mA. Ahora la resistencia equivalente
es
Rz = VII = 190.Q Y la potencia disipada Pz = V . I = 475 mW. Ésta es la zona de
máxima potencia disipable. En ella nos aproximamos peligrosamente al límite
máximo, que es de 1/2 vatio.
Mediante este proceso hemos visto que el diodo zener ha cambiado el valor de
su resistencia interna de forma automática en función de las variaciones de tensión aplicada.
188
i
ner
EJE
Limitaciones de potencia
Uno de los factores que se ha de tener en cuenta cuando se utilizan diodos zener
es la potencia máxima (Pml que pueden disipar. Las grandes variaciones de corriente que se producen para pequeños aumentos de tensión se traducen en aumentos de potencia disipada por el diodo zener. Como estos diodos se fabrican
con valores de potencia determinados, antes de utilizarlos se debe conocer esta
característica (fig. 21l.
I
l·
I
I
I
I
I
I
I
I
<,
I
""'<, I
I
- _1-
_
'\-....... Límite de disipación
Fig.27. Limitaciones de
potencia de un diodo zener.
I .
\
R
En este sentido, los datos más importantes de un diodo zener son su tensión zener y su potencia máxima. Si los conoces, puedes averiguar fácilmente cuál es la
máxima corriente que soporta, con sólo despejar la intensidad de la conocida fórmula p= V·1.
.
El circuito estabilizador paralelo que venimos estudiando no es capaz de desarrollar grandes potencias, debido a las limitaciones de potencia marcadas por los fabricantes. Cuando se desea controlar potencias elevadas, se ha de recurrir al estabilizador paralelo con transistor, que se estudiará posteriormente.
:fe
fa
Ejemplo 3
¿Cuál es la máxima
intensidad
que soporta
Pz
un diodo zener de 10 Vy 0,5 W?
=
Vz·1
y si despejamos:
Pz 0,5W
1=-=--=
Vz
10 V
0,05= 50mA
EJERCICIO 3
189
Circuitos recortadores
de señal
Al aplicar una señal alterna sinusoidal a un circuito de estabilización con diodo
zener, se obtiene a su salida la señal recortada a un valor igual a la tensión zener.
El esquema de la figura 22 se comporta como recortador de los semiciclos positivos y anula los negativos. Cuando la tensión de entrada alcanza el valor de Vz, la
tensión de salida se mantiene constante.
-0,7
Fig. 22. Recortador
de señales positivas
v
con diodo zener.
Al invertir el diodo se obtiene la situación contraria, y la señal de salida presenta
sólo los semiciclos negativos, pero recortados al valor de la tensión zener.
Si se desea provocar recorte en ambos semiciclos, basta situar dos diodos zener
como se indica en la figura 23. Uno de los diodosrecortalos
semiperíodos positivos y el otro, los negativos.
- vn
Fig. 23. Recortador
Circuitos limitadores de señal
de señales positivas
-0,7
V negativas.
~
Si en lugar de tomar la tensión de salida en el diodo zener, la tomamos en la resistencia y modificamos el esquema con un diodo semiconductor, el sistema se
comporta como un limitador de señales.
En la figura 24 se encuentra un limitador de los semiciclos positivos. Únicamente
puede alcanzar la salida el valor de tensión de entrada que sobrepase a la tensión
zener. De esta forma, si la señal de entrada tiene una tensión de pico de 10 V, Y la
tensión zener es de 7 V, la amplitud de la señal de salida es de 2,3 V, pues también debemos tener en cuenta los 0,7 V del diodo. El diodo semiconductor impide
el paso de los semiperíodos negativos.
190
Vz
Vs
Fig. 24. Limitador
de señales positivas
con diodo zener.
La inversión de ambos diodos provoca que se limiten los serniciclos negativos y
se impida el paso de los positivos.
Si se desea limitar ambos serniciclos, se colocan dos diodos zener en oposición,
como en la figura 25. En este caso se elimina el diodo semiconductor, ya que ambos semi períodos deben alcanzar la salida.
_·::::~:.~::~::;:::::t
Vz
VZ1 +
::::.:::1 V
Z2 +
Fig. 25. Limitador
de señales positivas
y negativas.
EJERCICIO 4
•
Fuentes de alimentación estabilizadas en paralelo
con diodo zener
El diodo zener es un componente ideal para realizar un estabilizador paralelo, ya
que puede sustituir al potenciómetro que usábamos en el símil ya estudiado. El
esquema ahora será el de la figura 26.
TR1
+
Dz
Fig. 26. El diodo zener como estebiiizedor paralelo.
í91
Re
o.~
0/1
Recuerda que la principal ventaja de este tipo de estabilizador consiste en que,
ante un cortocircuito a la salida, el diodo zener no resulta dañado y sólo puede
averiarse la resistencia serie. Como inconveniente, podemos citar la pérdida de
energía que supone la corriente que circula por el diodo zener, aun en el caso de
que desconectemos la carga. Es más, si desconectamos la carga, toda la corriente que circulaba por ella pasa a sumarse a la del diodo zener, por lo que el consumo no cambiará.
En la figura 26 se observa que la tensión de salida coincide siempre con la tensión zener, ya que la salida y el zener están en paralelo.
Cuando realizamos el cálculo de un estabilizador, se debe garantizar que por el
diodo zener circule al menos el valor mínimo de corriente lz min con que el fabricante asegura una estabilidad correcta. Si no se dispone de este valor, es posible
fijarlo entre los valores más habituales de lz min, que oscilan entre 1 y 20 mA aproximadamente.
Fijar valores superiores al mínimo establecido por el fabricante provoca un mayor consumo, aunque puede mejorar la estabilidad en el caso de requerimientos
muy específicos.
Antes de explicar el funcionamiento completo del estabilizador, debemos tener
en cuenta tres factores importantes, que se deducen de la observación de la figura 27.
-
En primer lugar, la corriente que circula por la resistencia serie se reparte entre la carga y el diodo zener:
[1]
-
La.potencia que disipa el diodo zener se calcula para el caso más desfavorable, que es cuando desconectamos la carga. De no hacerlo así, puede suceder
que el diodo zener supere su potencia máxima y se inutilice.
"
Cuando la carga está desconectada, IRs= lz- Este valor lo denominaremos IzM,que
no debe entenderse como la máxima intensidad que puede soportar el diodo zener, sino como la máxima intensidad que lo puede circular en ese circuito en las
condiciones más extremas.
-
En tercer lugar, la tensión de entrada se reparte entre la resistencia serie y el
diodo zener (la salida), de forma que, como la de salida es constante, toda la
tensión sobrante queda en bornes de la resistencia serie.
Vee
TRl
]
=
[21
VRS + Vs
PRl
IRs
Rs
+
+
Vee
+
~
el
Fig. 27. Corrientes en una fuente de alimentación
192
Iz
Oz
IRe Re
estabilizada en paralelo con zener.
Vs
Ejemplo 4
Diseña un estabilizador paralelo con diodo zener, cuya tensión de salida sea
7,5 V. La resistencia de carga es de 750 n, la tensión continua de entrada (Ved de 15 V ±
20% y la IZmin es de 2 mA. Se debe garantizar el funcionamiento correcto del circuito aun
en caso de que se desconecte la carga.
En primer lugar, dibujamos el esquema del circuito (fig. 26).
Las conclusiones que obtenemos del enunciado del problema son:
-
La tensión
7,5V.
zener coincide
con la de salida, luego el diodo zener debe ser de
La tensión
12 y 18V.
de entrada es de 15V ± 20%, lo que indica que puede variar entre
~-'
Podemos calcular la intensidad por la 'carga, con el valor de la resistencia de carga y la
tensión que tiene en bornes. Si aplicamos la ley de Ohm:
vz
Re
7,5 V
750 o
0.01 A
IRC=--=--:
=
10 mA
,
La intensidad mínima por la resistencia serie es la suma de la mínima a través del zener
más la de salida, como vimos en la fórmula [1]:
=' 10 mA + 2 mA=
IRSmin = IRC + IZmin
12 mA
Según la fórmula [2], la tensión en la resistencia serie es la diferencia entre la de entrada
(Vcd y la de salida (VRC = Vz = Vs). Como la de entrada puede variar entre 12 y 18 V, debe-mos hacer el cálculo en las condiciones más desfavorables para el funcionamiento del
circuito, es decir, cuando la tensión de entrada sea mínima, para garantizar el suministro
mínimo de corriente para el zener y la resistencia de carga.
VRSmin
= VCCmin
-
Vs = 12 V -7,5 V
= 4,5
V
Con la intensidad por la resistencia serie y su tensión, podemos calcular el valor de la resistencia Rs:
RS=YRSmin =
IRs min
4,5 V
=375n
[3]
0,012 A
Con el resultado obtenido se toma el valor comercial próximo más bajo, en este caso
360 n, ya que si la redondeásemos hacia arriba, no se 'garantiza la lz MIN en las condiciones más desfavorables.
El caso más desfavorable en cuanto a potencia en la resistencia serie se produce si la
tensión de entrada es máxima. Entonces la corriente por la résistencia serie pasa a ser
máxima y su valor viene dado, según la ley de Ohm, por la relación entre la tensión a que
está sometida y el valor de la resistencia.
_ 18 V - 7,5 V _ O 029 A-20
A
IRSm-_ V CC m - V S -------,
~ m
Bs
360 n
193
------•
-
..."
-
<
[4]
Como conocemos su tensión y su corriente máximas, calculamos
por la resistencia serie Rs en el caso más desfavorable:
PRSm
=
VRSm ·IRsm=
= 10,5 V - 0,029 A
(VCCm- Vs) ·IRsm
= 0,305
W
= 305
la potencia disipada
[5]
=
mW
Este resultado se aumenta hasta el valor comercial más próximo, ya que un valor inferior
no soportaría la potencia que debe desarrollar. En este caso, 1/2 W.
Es importante calcular la potencia que disipa el diodo zener. Lo hacemos para la circuns- '-~'
tancia más desfavorable, que se produce cuando desconectamos la resistencia de carga.
En este caso, toda la corriente que circula por la resistencia serie circula también por el
diodo zener, al estar la carga desconectada. De esta forma, la corriente máxima que circula por el zener pasa a ser de 29 mA = 0,029 A.
PZm = Vz' IZm =
A = 0,218 W
= 7,5 V . 0,029
Por ello, es suficiente con colocar un zener de 1/2
mo.
Comportamiento
[6]
= 218
VV, que
mW
es el valor comercial más próxi-
del estabilizador ante las variaciones de la carga
Consideramos el circuito de la fuente de alimentación estabilizada paralelo con
zener, en cuya salida conectamos como carga un potenciómetro variable (fig. 28).
Vamos a estudiar los aumentos o disminuciones de la resistencia de carga. Se supone que la tensión de entrada es constante.
-c:;
Al aumentar el valor de la resistencia de carga, disminuye su corriente. Como
la intensidad por la resistencia serie es la suma de la del zener y la dé salida, al
decrecer esta última también lo hace la corriente por la resistencia serie, y
baja por tanto su tensión. Como la tensión de entrada es fija, la tensión del zener tiene que aumentar (voltaje de salida). El zener convierte ese incremento
de tensión en una elevación de la corriente que lo circula. Con ello sube la in-
VRS
disminuye
6 IRS aumenta
~7 VRS aumenta
e
Fig. 28. Comportamiento
del estabilizador
paralelo
194
con zener si aumenta
la resistencia
de carga.
tensidad por la resistencia serie y aumenta su tensión, lo cual hace disminuir
la de salida.
Vemos, pues, que al aumentar la resistencia de carga, tiende a subir la tensión de
salida. El circuito corrige inmediatamente ese incremento al provocar la disminución de voltaje de salida hasta el valor de la tensión zener.
-
Si la resistencia de carga disminuye, aumenta la corriente que circula por ella,
lo que hace crecer la intensidad de la resistencia serie, y subir por tanto su tensión. Como la tensión de entrada es fija, al aumentar la de la resistencia serie
tiene que bajar la del zener (tensión de salida). El zener convierte esa disminución de voltaje en una reducción de la corriente que circula por él, con lo que
reduce la intensidad por la resistencia serie, y disminuye por tanto su tensión,
lo que hace aumentar la de salida a su valor calculado.
Podemos obtener la conclusión de que al disminuir la resistencia de carga, tiende
a bajar el voltaje de salida. El circuito corrige inmediatamente esa disminución
con un aumento de la tensión de salida hasta el valor de la tensión zener.
Gráfica de regulación
de carga
Puede resultar interesante observar cómo evoluciona la tensión estabilizada en
función de los distintos consumos que se producen a la salida. Para ello tenemos
•
la gráfica de regulación de carga.
La gráfica de regulación de carga consiste en una representación sobre
unos ejes de coordenadas, de la tensión de salida en función del consumo de la carga.
Como se observa en la figura 29, en el eje vertical se colocan los valores" de ten:
sión de salida, y en el eje horizontal se representan los valores de la corriente absorbida por la carga.
Sobrecarga
Fig. 29. Greiice de regulación
de carga.
195
•
Si el 'estabilizador actúa correctamente, la gráfica de regulación de carga es una
línea horizontal entre los valores calculados. Por supuesto, si la carga absorbe
más corriente de la prevista en los cálculos del estabilizador, se produce una sobrecarga de la fuente de alimentación y la tensión de salida deja de mantenerse
constante.
Pa
en
Comportamiento del estabilizador ante las variaciones de la tensión
de entrada
Si en una fuente de alimentación estabilizada con diodo zener provocamos aumentos o disminuciones de la tensión de entrada, ocurren los siguientes fenómenos:
-
Cc
eii
el
Si la tensión de entrada aumenta (fig. 30), tiende a subir la de salida. Como el
zener está en paralelo con la salida, el incremento de voltaje de salida repercute en el diodo zener, cuya corriente crece. El aumento de intensidad por el zener provoca una elevación de la corriente por la resistencia serie, lo que hace
crecer su tensión y forzosamente disminuir la de salida.
Dz
S
Fig. 3D. Comportamiento
del estabilizador paralelo con zener si aumenta fa tensión de red.
e
q
CI
Vemos, pues, que un aumento de la tensión de entrada tiende a provocar un crecimiento en la de salida que es inmediatamente corregida mediante una elevación de corriente por el zener.
-
Al disminuir la tensión de entrada, tiende a bajar la de salida. Como el zener
está en paralelo con la salida, al reducirse su voltaje, la corriente por el zener
disminuye. Esta disminución de intensidad por el zener provoca que baje la
corriente en la resistencia serie, lo que hace disminuir su tensión en favor de
la de salida, que aumenta.
En conclusión, al disminuir la tensión de entrada tiende a producirse una bajada
en la de salida. El circuito efectúa inmediatamente la corrección al reducir la corriente por el zener.
196
,
E
r
e
f
l
Gráfica de regulación
de línea
Para observar las variaciones de la tensión de salida en función de la tensión de
entrada, tenemos la gráfica de regulación de línea.
La gráfica de regulación de línea consiste en una representación sobre
unos ejes de coordenadas, de la tensión de salida en función de la de
entrada.
Como se observa en la figura 31, los valores de tensión de salida se colocan en el
eje vertical y los valores de tensión de entrada al estabilizador se representan en
el eje horizontal.
Vsalida
Fig.31. Gráfica de regulación de línea.
Si el estabilizador actúa correctamente, la gráfica de regulación de línea es una línea horizontal entre los valores calculados. Por supuesto, si la tensión de entrada
es menor que la de salida, ésta no puede alcanzar el valor previsto. En el caso de
que la tensión de entrada supere los valores para los que se ha calculado el circuito, el elemento estabilizador sobrepasa el límite de disipación máxima.