1. Introducción

El diodo Zener, que recibe este nombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. El Dr. Clarence Melvin Zener de Southern Illinois University inventó el diodo Zener.

El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa).

En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común.

Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante. En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa. Se analizará el diodo Zener, no como un elemento ideal, si no como un elemento real y se debe tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.

En esencia, un diodo zener es exactamente igual a un diodo común como los que ya se han estudiado, es decir, pueden ser polarizados directa e indirectamente, tienen un voltaje de umbral (generalmente de 0,6 a 0,7v) corriente directa máxima, potencia de disipación o temperatura de empaque y un voltaje de ruptura o voltaje zener. Es precisamente en esta última característica en donde nace la diferencia. Un diodo Zener es construido de manera que el voltaje de ruptura no sea tan elevado si no más pequeño de manera que pueda ser más fácilmente alcanzable. Si se recuerda, en un diodo común, cuando se sobrepasaba el voltaje de ruptura del diodo simple se quemaba por sobretensión, en el diodo zener al sobrepasar este voltaje no ocurre esto debido a dos razones: primero a la forma de dopar el material

Semiconductor y segundo por que las tensiones no son tan altas como antes (600V, 1000V, 1300V)

2. Que es el efecto Zener

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.

Si ahora vamos disminuyendo la tensión inversa se volverá a restaurar la corriente de saturación Is, cuando la tensión inversa sea menor que la tensión zener. El diodo podrá cambiar de una zona a la otra en ambos sentidos sin que para ello el diodo resulte dañado, esto es lo que lo diferencia de un diodo de unión como el que estudiamos en la practica anterior y es lo que le da al diodo zener su característica especial.

El progresivo aumento de la polarización inversa hace crecer el nivel de corriente y no debe sobrepasarse un determinado nivel de tensión especificado por el fabricante pues en caso contrario se dañaría el diodo, además siempre debemos tener en cuenta la máxima potencia que puede disipar el diodo y trabajar siempre en la región de seguridad.

3. Aplicación de Diodos Zener

Una de las aplicaciones más usuales de los diodos zener es su utilización como reguladores de tensión. La figura 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 limites 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.

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:

IT = IL + IZ (1)

Y para las tensiones: VAA=IT * R + VZ =VR + VZ (2)

Por lo tanto, si VAA y VZ permanecen constantes, VR debe de serlo también (VR = IT * R). 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 IL.

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 pequeñas variaciones se producirían por las variaciones de IZ para compensar las variaciones de VAA.

4. 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 del punto anterior 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:

1. La corriente a través del diodo IZ es mínima cuando la corriente de carga IL es máxima y la fuente de tensión VAA es mínima.

2. La corriente a través del diodo IZ es máxima cuando la corriente de carga IL es mínima y la fuente de tensión VAA es máxima.

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 siguiente figura (curva Id / Vd) 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:

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.

5. Valores más utilizados en el calculo de Reguladores con Diodos Zener

En el cálculo para el diseño de Reguladores con diodos Zener, se mantienen exactamente los mismos parámetros utilizados para el cálculo de un circuito rectificador con filtro, más la adición de los parámetros del diodo zener que se explican a continuación y que pueden ser observados en la curva característica:

Voltaje Zener Nominal (VZ): Como su nombre lo indica, este es el voltaje al cual el diodo zener se enciende en polarización inversa y bajo condiciones de temperatura normales. Los zener vienen para tensiones entre 1,8V y 200V. Este parámetro se usa de referencia para comprar el diodo zener.

Tolerancia: Similar a la utilizada para resistencias, nos indica el rango de error que se puede esperar en el voltaje zener nominal, son comunes tolerancias del 20%, 10%, 5% y 1% (Ej. Un zener de 10V / 20% puede tener un voltaje zener entre 8V y 12V). Obviamente a menor tolerancia mayor costo.

Intensidad Zener Mínima: A diferencia del diodo común, el zener aparte de necesitar un voltaje mayor al de ruptura para funcionar, necesita una corriente mínima de encendido. Debido a la dificultad de obtener este valor se considera siempre que tiene un valor de 5mA (Ver calculo).

Intensidad Zener Máxima (IZ MAX): Es la máxima intensidad que soporta el zener en polarización inversa. Este parámetro es muy importante ya que existirán ocasiones en que la carga sea desconectada, por lo que la corriente de la carga pasará al zener y si es demasiado alta, el zener se quemará.

Potencia Disipada Máxima (PZ): Este parámetro es más comúnmente utilizado que la intensidad zener máxima y especifica la máxima potencia que puede disipar el empaque del zener en forma de calor. Los zener vienen en potencias entre 0.25W a 50W. Este es el segundo parámetro que se usa de referencia para comprar el diodo zener. Si la potencia calculada es muy alta se puede utilizar diodos zener en paralelo con el fin de dividir la corriente total, consiguiendo menos disipación de potencia por zener.

6. Algunos ejemplos de diodos Zener.

Ejemplo 1

En la figura se tiene los siguientes valores VS=18v, VZ=10v, RS=270 Ohm y RL=1 KOhm. ¿Está el diodo Zener funcionando en la zona de Zener?.

Solución

Desconectando mentalmente el diodo Zener. Entonces todo lo que queda es un divisor de tensión con 270 Ohm en serie con 1 KOhm. Por lo tanto, la corriente por el divisor de tensión es:

I = 18v / 1.27 KOhms = 14,2 mA

Multiplicamos esta corriente por la resistencia de carga para obtener la tensión de Tévenin:

VTH = (14,2 mA) * (1KOhm) = 14,2 V

Como esta tensión es mayor que la tensión Zener (10V), el diodo Zener funciona en la zona de ruptura cuando se vuelve a conectar el circuito.

Realizando el circuito del ejemplo 1, y midiendo su salida, corroboramos que el resultado del cálculo es correcto.

Ejemplo 2

Este es un ejemplo de un prerregulador (el primero diodo Zener) que excita a un regulador Zener (el segundo diodo Zener). En primer lugar, observe que el prerregulador tiene una tensión de salida de 20v. Esta es la entrada para el segundo regulador Zener, cuya salida es de 10v. La idea es suministrar al segundo regulador una entrada bien regulada, para que la salida final esté perfectamente ajustada.

Realizando nuevamente las pruebas mediante el programa Electronic Workbench, este el resultado obtenido:

Como se puede observar las salidas, de ambas etapas concuerdan con las expectativas.

Ejemplo 3

En la mayor parte de las aplicaciones, los diodos Zener se usan en reguladores de tensión donde se mantienen en la zona Zener. Pero hay excepciones. A veces, los diodos Zener se emplean en circuitos para conformación de ondas, como el de la siguiente figura.

Nótese la conexión de dos diodos Zener opuestos (enfrentados). Durante el semiciclo positivo, el diodo de arriba conduce y el de abajo esta en la zona Zener; por tanto, la salida se corta como se muestra en la resolución. El nivel de recorte es igual a la tensión Zener (diodo en ruptura) más 0,7v (diodo con polarización directa).

Durante el semiciclo negativo, la acción se invierte. El diodo de abajo conduce, y el diodo de arriba entra en zona Zener. De esta manera, la salida es casi una onda cuadrada. Cuando mayor sea la onda sinoidal de entrada, más perfecta será la onda cuadrada de salida.

En el grafico se puede observar un generador de funciones, una resistencia en serie de 5 Ohms, el par de diodos Zener enfrentados (ambos de 10v) y la resistencia de carga de 1 KOhm. El osciloscopio a la se encuentra conectado en su canal A en la salida del circuito y el canal B se encuentra conectado a la entrada, esto permitirá poder superponer las señales a fines comparativos.

El Generador de funciones se encuentra configurado de la siguiente manera: Frecuencia 1Hz, Amplitud 20 volts, sin Offset y Duty cicle en 50%.

En el canal B se puede observar la señal sinusoidal, entre los puntos 1 y 2, que tiene un Vpap=40v (el generador entrego 20 Vpico).

En el canal A se puede observar que la señal fue recortada convirtiéndose prácticamente en una cuadrada, también se observa que entre los puntos 1 y 2 la Vpap=11 v (10v + 0,7v del diodo en directa).

Ahora bien, si comparamos ambas señales se podrá observar las diferencias:

Existe un recorte importante de la señal original.