DiodoZéner.Geo

7/28/2019 DiodoZéner.Geo

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Universidad NacionalFederico VillarrealFacultad de Ingeniería Electrónica e

Informática

Escuela de Ingeniería Informática

2013

Tema: Diodos Zéner

Docente: Ing. Iván Cisneros

Integrantes:

o Reyez Ramirez Geovannie Walter

o Ño k



Universidad Nacional Federico Villarreal

Diodos Zener Página 2

INTRODUCCIÓN

n la práctica 1, estudiábamos el diodo semiconductor, en él se expresaba que, al polarizar un diodo inversamente se podía alcanzar la destrucción de éste de dosformas, por efecto avalancha o por efecto zéner.

Pues bien, esta limitación (ruptura por efecto zéner) es aprovechada por el diodozéner encontrando sus principales aplicaciones en reguladores de tensión y comoelementos de referencia de tensión para otros circuitos. De su estudio nos ocuparemosen la presente práctica, primero como componente aislado y, posteriormente, comoelemento regulador.

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, sefabrican desde 2 a 200 voltios. Polarizado en directa actúa como un diodo normal y por tanto no se utiliza en dicho estado

E





EXPERIMENTO Nº 2DIODO ZENER

I.-OBJETIVO:

Reconocer las terminales de un diodo Zener, realizar la prueba de los mismos yobtener sus características de acuerdo a hojas de especificaciones del fabricante(datasheet) y /o ECG.

Medir el voltaje y la corriente del diodo con polarización directa e inversa. Comprobar el funcionamiento de un diodo zenersu voltaje de trabajo, mediante

sus diferentes aplicaciones.

NOTA : El profesor debe realizar una breve introducción del experimento y sus

objetivos. Así mismo debe permanecer durante toda la sesión delexperimento, para responder y formular las preguntas necesarias.

II.-EQUIPOS Y MATERIALES:

Osciloscopio Generador de funciones Fuente de alimentación Multímetro digital 1 Transformador de 12 Vrms con toma central

3 Diodos zener 3.6V1W 1N4729 o 4.7V 1W 1N4732 Resistencias: 180 , 1K ; K10K Tablero de conexión Alicate corte y punta

III. DESCRIPCION BASICA:

El diodo zener basa su funcionamiento en el efecto zener, de ahí su nombre. Estecomponente es capaz de trabajar en la zona de polarización inversa y alcanzada éstazona, a pequeños aumentos de tensión corresponden grandes aumentos de corriente nollegando a destruirse salvo que se alcance la corriente máxima de zener I Zmáx indicada

por el fabricante.

Sus parámetros principales son:

VZ = tensión nominal de zener. Polarización inversa en torno a el cuál sufuncionamiento es efectivo.

IZmín = mínima corriente inversa que ha de atravesar el diodo para asegurar sucorrecto funcionamiento, también llamada corriente de mantenimiento.

IZmáx =máxima corriente inversa que puede atravesar con garantía de nodestrucción.

PZ = potencia de disipación nominal del componente que no debe ser sobrepasada.





IZT = corriente zener de trabajo dada para un voltaje zener nominal (aprox. elvalor medio de VZmáx y VZmín).

Generalmente en la zona de trabajo inversa, se ha de asegurar que, el diodo seaatravesado como mínimo por una corriente inversa, IZmín expresada por el fabricante (se puede considerar IZmín 10% IZmáx cuando no se tiene este dato).

Curva característica del diodo zener:

IF(mA) REGION DE TRABAJO

VZnominal VZmáx

VoltIZmín

REGION IZT DE TRABAJO

IZmáx

IZ(mA)

PROCESO OPERATIVO:

1. Conecte el circuito de la figura 3-1. Ajuste VA a 0V.

Fig. 3-1

2. Ajuste VA para conseguir los valores de VZ indicados en la tabla 3-1

TABLA 3-1

VZ(V) 0 4 8 9 9.3 9.6 9.8 9.9 10 10.1 10.2 10.5 11 12

IZ(mA) 0 1.34 19.05 24.38 25.98 27.64 28.78 29.29 29.90 30.38 30.94 32.70 33.44 41.10Vz(v) 0 3.75 4.62 4.66 4.67 4.68 4.69 4.698 4.701 4.704 4.707 4.716 4.729 4.752





3. Mida y anote los valores correspondientes de IZ.4. Ajuste de nuevo VA a 0V. Invierta las conexiones del zener.5. Repita los pasos 2 y 3 para la tabla 3-2.

TABLA 3-2

VF(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.7 0.75 0.8

IF(Ma) 0 0.00 0.00 0.02 0.16 0.32 0.34

Vf(v) 0 0.198 0.412 0.600 0.682 0.702 0.719

1. Dibuje la gráfica con los valores obtenidos en ambas tablas.

0, 03.75, 1.34

4.62, 19.05

4.66, 24.384.67, 25.98

4.68, 27.644.69, 28.784.698, 29.294.701, 29.94.704, 30.384.707, 30.944.716, 32.74.729, 33.44

4.752, 41.1

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 1 2 3 4 5

I z ( m A )

Vz(V)

Gráfico de la Tabla 3 - 1

Series1

0, 0 0.198, 0 0.412, 00.6, 0.02

0.682, 0.16

0.702, 0.320.719, 0.34

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

I f ( m A )

Vf(V)

Gráfico de la Tabla 3 - 2

Series1





2. Arme la figura 3-2 considerando que VA sea una fuente de DC variable

Fig. 3-2

Para el diseño del regulador tome en cuenta:

a. Para obtener R Smáx (IZmín=ITmín - ILmáx)

a I I

V V R

Zmin Lmax

Z Amin

Smax

b. Para obtener R Smín (IZmáx=ITmáx - ILmín)

b I I

V V R

Zmax Lmin

Z Amax

Smin

y tomando c I I Zmax Zmin 1.0

igualando (a) = (b) y reemplazando en (c) obtenemos:

Smax Z Amin

Z Amax Lmax Amin Z Lmin

ZmaxV V V

V V I V V I I

1.09.0

)()(

3. Su diseño debe elegir el valor apropiado de la resistencia limitadora R S con su potencia estimada; igualmente para el diodo zener debe estimarse la potencia,

PZmáx. El zener a emplearse será buscado en catálogo comercial según losvalores calculados y rehacer los cálculos si IZmín fuera mayor que la estimada.,diseñe un regulador zener necesario para alimentar una carga de 500 conuna tensión de 6.8V a partir de una fuente que puede variar entre 10 y 15V.TEORICAMENTE

VA=10v a 15v





IL=VL

L=

6,8

5= 13.6 mA

Iz

min

= 5 mA ITmin = IL + IZmin= 13.6 + 5 = 18.6 mA

VRlimmin=VA min – VL =10-6.8= 3.2 V

R lim =

=

86= 172 Ω

Rsmin =

= =

568

9 =167 Ω

IZmin Real = 67 – 13.6x10=5,5mA

PR lim =

=

568

67= 0.402 = 402mW

PR lim =1W

IZmax=ITmax-IL =

-IL=

8

6-13.6= 35,5mA

PZmax = VZ.IZmax=8.2x35,5 = 291.1 mW

R lim =167 Ω , 1W ,Vz=6.8v

Zener de IZmin<5,5mA

4. Compruebe el funcionamiento correcto aún en las condiciones extremas.5. Monte el circuito de la Fig. 3-3. Graficar las formas de onda.

Fig. 3-3





6. Repita el paso 8 para la Fig. 3-4. Graficar las formas de onda.

Fig. 3-4





12.-Comprobar el efecto Crowbar mediante el montaje del circuito de la Fig. 3-5,graficando las formas de onda.

Fig. 3-5





CUESTIONARIO:

1. Explique la fabricación de un diodo zener. Tipos de zener.

on elementos semiconductores de silicio, que poseen una característica en sentido directoigual a la de cualquier diodo rectificador, pero que en sentido inverso, y para unacorriente inversa de un valor determinado, presenta una tensión de un valor constante., el

cual es propio de las características técnicas de cada diodo en particular.

Por estas circunstancias este dispositivo se hace ideal como estabilizador de tensión, o paraobtener una tensión de referencia de un valor fijo y determinado.

CONSTITUCIÓN DE UN DIODO ZENER

Los zener se fabrican por procesos de aleación o difusión según sean las características que sedeseen obtener. De modo general, podemos decir que para diodos con tensión de rupturainferior 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 lastensiones entre 9 y 12 voltios el proceso de fabricación depende de otros factores.

PROCESO DE FABRICACIÓN POR ALEACIÓN:

Este método consiste en calentar a una temperatura de unos 650º, una pequeña pastilla de cristalde silicio tipo N , a la que se le coloca encima una minúscula cantidad de material tipo P. Alcalentarlos se produce la aleación entre ambos en una zona de forma circular.

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 laformación del materia tipo N) el conjunto se introduce en un horno a una temperatura superior a1200ºC 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.

El tipo de encapsulado es igual que el de los diodos rectificadores. Aunque como veremos másadelante no se comportan como ellos, es por eso que en sismología electrónica la forma derepresentarlos es también diferente.

FABRICANTES Y TIPOS

Existen dos tipos principales de diodos Zener. Los tipos ZD eur opeos y los tipos ZDP son fáciles de identificar. Un ZPD12, por ejemplo, significa que es un diodo Zener conuna tensión Zener de 12V. Los tipos 1N americanos no describen la tensión Zener ensus nombres. Un diodo 1N5226, por ejemplo, posee una tensión Zener de 3,3 V (ver Recursos para ver una lista típica de la empresa de los diodos Zener). Los diodos Zener se usan muy comúnmente, y por esto los fabrican muchas compañías diferentes.

S





2. ¿Qué ocurre en un diodo zener una vez alcanzada la tensión zener?

En esta región pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de corriente. El diodo

Zener mantiene la tensión prácticamente constanteentre sus extremos para un amplio rango decorriente inversa.

Si sigue subiendo, la tensión del Zener no aumenta pero aumenta la corriente adentro del diodo Zener.Esa corriente produce calor. Entonces la energía en

exceso no se va a '' tierra ‘‘, se va en calor. Si la

tensión sigue aumentando y la energía térmica supera el límite del zener (que podría ser como 1/2 W o 1 W , 2 W etc. ) . Te decía cuando supera el límite del Zener, el Zener sequema.

Cuando se llega a la tensión Zener, el voltaje se mantiene en dicho valor. Este diodo selo utiliza en los reguladores de voltaje.

3. ¿Cómo se comporta el diodo zener en polarización directa?

El diodo Zener se comporta, en polarización directa, como un diodo semiconductor cualquiera. No ofrece resistencia al paso de corriente (el voltaje entre sus bornessiempre será 0 V, no pueden soportar un voltaje superior), pero solo puede disipar unacantidad máxima de potencia. Si pasa a su través más de 1 A, se quemará.

4. ¿Por qué se ha de hacer que atraviese el zener una IZmín, trabajando comoregulador de tensión?

Al emplearlo como regulador, se ha de asegurar que lo atraviese una IZmín para excluir laregión de codo de la zona de trabajo y poder conseguir una buena estabilización.

La corriente en el zener no debe ser menor que IZmín. Y para el buen funcionamiento delregulador, la corriente I de entrada que varía entre IZmín e IZmax debe estar comprendidoen el intervalo de IZmín e IZmax del diodo zener.





EL ZÉNER COMO REGULADOR DE TENSIÓN

En muchas circunstancias la tensión aplicada a una carga puede sufrir variacionesindeseadas que alteren el funcionamiento normal de la misma. Estas variacionesgeneralmente vienen provocadas por:

1. Una variación de la resistencia de carga, que lleva emparejada una variación dela intensidad de carga.

2. Variaciones de la propia fuente de alimentación.3. Por ambas causas.

Si elegimos un diodo zéner de tensión nominal igual a la que es necesaria aplicar a lacarga y somos capaces de hacerlo funcionar en su región de trabajo, conseguiremos unatensión sin apenas variaciones.El objeto de este apartado es diseñar un circuito capaz de conseguirlo.

5. Explique su diseño y las observaciones tomadas indicando lascaracterísticas del fabricante del zener utilizado.

6. Establezca las diferencias entre un limitador polarizado con diodosrectificadores y un limitador simple con diodo zener.

Se pueden realizar asociaciones serie y paralelo de diodos zéner, para conseguir losmismos efectos de diodos zéner teóricos no disponibles en el mercado, siempre que nose sobrepasen las especificaciones de cada uno de ellos.

La aplicación de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensión y actúa comodispositivo de tensión constante (como una pila).Un diodo normal también tiene una zona de ruptura, pero no puede funcionar en él, con

el Zener si se puede trabajar en esa zona.

7. Explique el funcionamiento de la Fig. 3-4.

Un simple diodo Zener puede limitar un lado deuna forma de ondasinusoidal al voltaje delZener, mientras mantienecerca de cero el otro ladode la onda. Con dos zenersopuestos, la forma de ondase puede limitar al voltaje





del zener sobre ambas polaridades

8. Analice la forma de onda del circuito Crowbar.

Un circuito con una disposición similar al limitador serie, sustituyendo el diodorectificador por un diodo Zener, es el mostrado en la figura de la izquierda con sudiagrama correspondiente de tensiones en la gráfica de la derecha.

Durante el semiciclo positivo, el diodo se encuentra polarizado inversamente, es decir,la corriente será nula hasta que Vi supere la tensión de Zener y, por tanto, la tensión VR también será nula. Cuando Vi supere dicha tensión, el diodo conducirá, y, en VR,

aparecerá la diferencia entre Vi y Vz.

En el semiciclo negativo, el diodo queda polarizado directamente, motivo por el que lacorriente será nula hasta que Vi supere -0.7 V, razón por la que VR también será nula.Una vez superados los -0.7 V, el diodo conducirá ofreciendo una caída de tensiónconstante e igual a 0.7 V y, por ser un circuito serie, el resto de la tensión de entrada sereflejara en VR.

Si observamos la forma de onda durante el semiciclo positivo en R, vemos que no existetensión hasta que la entrada supere el valor Vz, éste es el llamado efecto Crowbar, en elque la tensión de salida es nula hasta que la entrada supere un nivel de tensión

previamente fijado; se le puede, pues, considerar como un disparados por nivel detensión.

9. ¿Qué importancia tiene RS? Explique.





10. ¿Se pueden realizar asociaciones serie y paralelo de diodos zener? ¿Paraqué?

Se pueden realizar asociaciones en serie y paralelo de diodos zener, para conseguir losmismos efectos de diodos zener teóricos no disponibles en las tiendas.

Se puede colocar en serie, pero debe estar en la zona de ruptura, porque trabaja eninversa si supera ese valor, y en serie necesitas a los dos en ruptura para operar la sumade ambos valores, necesitas saber lo máximo que puede mandar el diodo para evitar destruirlo

11. En la fig. 3-5, el zener positivo en que factor atenúa el rizado y ¿Por qué?

La calidad de la señal, o tensión, continua que obtenemos después de hacer pasar unaseñal alterna por un circuito dependerá de la complejidad de éste.

12. En el regulador positivo, ¿Cuál es el porcentaje de regulación de voltaje?

%ó =

. 100%

13. Si la polaridad del zener superior se invierte, ¿Qué valor y polaridad tiene+Vo?

14. Anote sus observaciones y conclusiones del experimento.

En este taller encontramos cosas sobre el diodo zener un elemento fundamental en laelectrónica este trabajo traza una base en el diodo para guiarnos en sus graficas y demásdatos que podemos encontrar.

El diodo Zener es un diodo de silicio 1 que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas, recibe esenombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener. Eldiodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión

casi constantes con independencia de que se presentengrandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia decarga y temperatura.Las Características de un diodo Zener pueden ser:

Si a un diodo Zener se le aplica una corriente eléctrica deÁnodo al Cátodo (polarización directa) toma lascaracterísticas de un diodo rectificador básico.

Pero si se le suministra corriente eléctrica de Cátodo a Ánodo,el diodo solo dejara pasar un voltaje constante.

En conclusión: el diodo Zener debe ser polarizado al revés para que adopte sucaracterística de regulador de tensión.





Su símbolo es como el de un diodo normal pero tiene 2 terminales a los lados. Estediodo se comporta como un diodo convencional en condiciones de alta corriente, porquecuando recibe demasiada corriente se quema.

ANEXOS

EFECTO ZENER





EFECTO ZENER

El efecto zener se basa en la aplicación de tensiones inversas que originan, debido a lacaracterística constitución de los mismos, fuertes campos eléctricos que causan larotura de los enlaces entre los átomos dejando así electrones libres capaces de establecer

la conducción. Su característica es tal que una vez alcanzado el valor de su tensión

inversa nominal y superando la corriente a su través un determinado valor mínimo, latensión en bornas del diodo se mantiene constante e independiente de la corriente quecircula por él.

FUNCIONAMIENTO DEL DIODO ZENER

El símbolo del diodo zener es:




y su polarización es siempre en inversa, es decir

Tres son las características que diferencian a los diversos diodos Zener entre sí:

a.- Tensiones de polarización inversa, conocida como tensión zener.- Es la tensión queel zener va a mantener constante.

b.- Corriente mínima de funcionamiento.- Si la corriente a través del zener es menor,no hay seguridad en que el Zener mantenga constante la tensión en sus bornas.

c.- Potencia máxima de disipación. Puesto que la tensión es constante, nos indica elmáximo valor de la corriente que puede soportar el Zener.

Por tanto el Zener es un diodo que al polarizarlo inversamente mantiene constante latensión en sus bornas a un valor llamado tensión de Zener, pudiendo variar la corrienteque lo atraviesa entre el margen de valores comprendidos entre el valor mínimo defuncionamiento y el correspondiente a la potencia de zener máxima que puede disipar.Si superamos el valor de esta corriente el zener se destruye.

¿QUÉ HACE UN REGULADOR CON ZENER?

Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su salida,sin importar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las variaciones

de corriente en la carga.

Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodozener), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga.

Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que el voltaje de salida disminuyaconforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la cargaaumente.

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