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7/26/2019 IntroZener1

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El diodo zener es un dispositivo electrnico que trabaja en la zona deruptura de la regin de polarizacin inversa, donde se forma un codo donde el

voltaje se mantiene jo entre sus terminales a un valor Vz, mientras la

corriente Izpuede variar entre un lmite mnimo (IZmin)a partir del cual el

voltaje permanece constante, y un lmite mximo (IZmax) al cual se asegura

el diodo no se daar Esto se puede observar en su curva caracterstica dela siguiente gura !, as tambi"n la gura # muestra el smbolo del diodo

zener

$igura ! %urva caracterstica de un diodo zener

$igura # &mbolo del diodo zener

El lmite superior de la corriente que puede circular por un diodo zener

'Izmax(, debe ser tomado en consideracin en un diseo para evitar que el

diodo zener se dae por sobrecalentamiento, y el lmite inferior permitir que

el zener se encuentre por arriba del codo que se forma al momento de entrar

en la zona de ruptura inversa

Esta caracterstica del diodo zener de mantener un voltaje jo cuando lacorriente vara, lo )ace *til para ser utilizado como regulador de voltaje,

sirviendo como fuente de alimentacin para otro circuito o para generar un

nodo que sirva como referencia de voltaje

+os diodos zener &e comercializan por su valor de voltaje (VZ),encontrndose de valores de -, ., /, /0, 1!, 1-, -#, -2, 01, 2#, .!,

!3, !!, !#, !, !1, !-, !2, #3, ##, #/, #0, 3, , -, ., /, /0, 1!, 1-, -# y -2


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volts 'incluso algunos ms elevados(, y por su potencia (PZ), existiendo de

3#1, 31, !, 1, !3 y )asta 13 4atts

Diseo de un circuito regulador de voltaje con diodo zener

El circuito tpico de un regulador de voltaje con diodo zener se muestra en la

gura , consta de una fuente de alimentacin a la que llamaremos 566, una

resistencia limitadora de corriente llamada simplemente 7, el diodo zener y

una carga a la cual se le entrega el voltaje regulado y que consume cierta

cantidad de corriente, esta carga se simboliza como 7+ , aunque no

necesariamente es una simple resistencia, puede ser todo un circuito

electrnico que requiera de ser alimentado al voltaje 5z y que consume una

corriente 8+

$igura %ircuito tpico de un regulador de voltaje con diodo zener

En el circuito vemos que 59:;< 5=, y este ser prcticamente constante, solo

si la corriente 8=se logra mantener entre los valores 8=mine 8=max Estos lmitesson calculados de acuerdo a las siguientes ecuaciones>

IZmax= PZ/VZ Ecuacin !

IZmin=0! IZmax Ecuacin #

8+es la corriente que demanda la carga conectada al circuito regulador, esta

corriente 8+puede ser constante, o variable, siendo esta segunda condicin ms

com*n en el comportamiento de un circuito 'por ejemplo un circuito donde un

led enciende y apaga, este demandar mayor corriente cuando el led este

encendido que cuando est" apagado, o un circuito donde se debe considerar laposible descarga de la carga, esto )ara que 8+en un momento dado se deba

considerar de un valor de cero(

+a fuente de alimentacin 566 ser un elemento que como condicin ms

importante que debe cumplir es que V""VZ, de no ser as no )abr forma

alguna de que exista una solucin de diseo al circuito regulador de voltaje con

diodo zener


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La resistencia R ser el elemento ms importante a determinar en un

diseo 6 trav"s de esta resistencia circulara una corriente a la que

llameremos 8; , que como podemos apreciar en la gura , esta tendr un

valor de >

I#= IZ$I% ? Ecuacin Es decir, la ecuacin indica que por esta resistencia circula la suma de la

corriente del zener y la que se suministra a la carga en cualquier momento

@ero 8z no es de un valor *nico, sino que puede estar dentro de un rango entre

Izmin e Izmax con el n de que el diodo zener est" trabajando en la zona

correcta de su curva caracterstica y pueda actuar verdaderamente como un

regulador de voltaje

As entonces vemos que ITen todo momento puede tener un valor tan pequeo

pero que al dividirse alcance al menos para cubrir los requerimientos de la

corriente de carga y la corriente mnima de operacin del diodo zener (Izmin.Aunque tambien IT puede ser tan grande queal dividirse suministre la

corriente a la carga, y el resto no sobrepase la corriente mxima soportada por

el zener (Izmax)

El prrafo anterior son condiciones muy importantes a tener en cuenta cuando

generemos los procedimientos de diseo

@or otro lado si el zener est operando correctamente en la regin de

regulacin, y de acuerdo al circuito de la gura , el voltaje en la resistencia

limitadora de corriente, estar dado por>

V&= V""' VZ Ecuacin /

Ae acuerdo a ley de 9)m y a las ecuaciones y / que muestran la corriente y

el voltaje en la resistencia limitadora de corriente 7, obtenemos>

I#= V&/& = (V""' VZ) / &= Iz $ I% ? Ecuacin 1

@ara anlisis tomando la primera seccin de la ecuacin 1 ' I#= V&/&)

observamos que mientras mayor sea el valor de& I#ser cada vez mspequea, y podra no ser suciente para cubrir las necesidades de IZmine I%, o

bien si & es demasiado pequea I# podra ser muy grande, pudi"ndose

sobrepasar el valor de 8=max y daar el diodo zener 6s por tanto un valorcorrecto de esta resistencia permitir estar en una regin intermedia donde I#tenga un valor mximo tal que al suministrar la corriente a la carga I%, el resto

no sobrepase el valor de IZmaxe I#tenga un valor mnimo tal que sea suciente

para suministrar I%e IZmin

&i de la ecuacin anterior despejamos el valor de 7 obtendremos>


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&=(V""' VZ) /( Iz $ I%) ? Ecuacin -

Ae acuerdo a lo descrito anteriormente, el valor ms grande de resistencia

limitadora la corriente permitir que 8;alcance al menos para suministrar 8+e

8zmin, de donde a partir de la ecuacin - podemos escribir>

7max


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corriente 8+requerida por la carga que se va a conectar al regulador de voltaje,

y el valor de la fuente de voltaje 566a partir de la cual obtendremos el voltaje

regulado, podemos encontrar el rango de valores de la resistencia limitadora

de corriente que podemos utilizar, de acuerdo a los siguientes pasos>

a) 5ericar que 566C 5z, de no ser as el diseo no es factibleb) %alcular 8zmax e 8zmin de acuerdo a las ecuaciones ! y #c) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2d) &e elige un valor comercial de la resistencia limitadora de corriente en el

rango de valores obtenidos 'preferentemente lo ms cercano a su valormximo(

e) &e calcula la disipacin de potencia requerida en la resistencialimitadora de corriente a partir de la ecuacin !3

+jem,lo-se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un

diodo zener de volts y 31 4 de potencia, a partir de una fuente de voltaje

de !# volts y que pueda suministrar 13m6 a un carga conectada al mismo

&olucin

a) 566< !#v y 5z

2. Diseo de un regulador de voltaje zener con V""varia.le e I%*ja

Este es un caso de diseo muy com*n, muc)as fuentes de voltaje presentan

ruido o rizo, que )ace Juctuar su valor entre un lmite mximo ' V""max( y un

mnimo 'V""min(, pero que no es deseable ser aplicado a un circuito de carga

:n circuito regulador con diodo zener bien diseado, puede entregar un voltaje

regulado a partir de una fuente de voltaje con estos problemas

+a solucin a un diseo de este tipo se separa en )acer un doble clculo delprimer diseo explicado anteriormente &e calcula un rango de valores de 7

tomando en cuenta solo el valor mximo de 566, despu"s se calcula un

segundo rango de valores de 7 tomando a)ora el valor mnimo de 566

$inalmente la solucin general ser la interseccin de las dos soluciones

individuales, es decir, los valores que aplican como solucin a ambos casos 6

continuacin se enlistan los pasos a seguir en la solucin>


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a) 5ericar que 566C 5z, de no ser as el diseo no es factibleb) %alcular 8zmax e 8zmin de acuerdo a las ecuaciones ! y #c) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta

566maxd) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta

566min

e) &e busca el rango de valores 'interseccin( de las soluciones de c( y d(para la solucin general y se elige un valor comercial de la resistencialimitadora de corriente en el rango de valores obtenidos'preferentemente lo ms cercano a su valor mximo(

f) &e calcula la disipacin de potencia requerida en la resistencialimitadora de corriente, tomando el mximo voltaje que pueda existirsobre ella 'con 566max(, a partir de la ecuacin !3



que tiene Juctuaciones entre los !3 y !# volts, y que pueda suministrar 13m6

a un carga conectada al mismo

&olucin

a) 566min< !3v y 5z /#2 K 7 K!3#.! Aedonde se puede elegir 7

f) +a capacidad de disipacin de potencia requerida ser>@< '566 F 5z(#D7


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que tiene Juctuaciones entre los /1 y 11 volts, y que pueda suministrar

#33m6 a un carga conectada al mismo

&olucin

a) 566min< /1v y 5z

c) @rimer rango calculado a partir de 566maxposible encontrar una solucin de diseo


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3. Diseo de un regulador de voltaje zener con I% varia.le V""*jo

Este es un caso de diseo tambi"n muy *til y muy importante a tener en

cuenta en circuitos reguladores de voltaje con diodo zener donde pueda llegar

a ser com*n que la carga sea desconectada +a desconexin de la carga

provocar que toda la corriente que antes se le entregaba a esta, proveniente

desde 8;,, a)ora se desvie por completo al zener, esta corriente podra superar

a)ora la mxima corriente soportada por el zener y daarlo 6s entonces si

diseamos un circuito de este tipo donde se considere que 8 +puede tomar un

valor mximo en un momento dado 'carga conectada( y un valor de cero en

otro momento 'carga desconectada( podremos evitar que el dao al diodo

zener pueda presentarse

El procedimiento para la solucin a un diseo es muy semejante al segundo

tipo de diseo expuesto anteriormente, donde se debe de )acer un doble

clculo, calculando un rango de valores de 7 tomando en cuenta solo el valor

mximo de 8+, posteriormente despu"s se calcula un segundo rango de valoresde 7 tomando a)ora el valor mnimo de 8+ $inalmente la solucin general ser

nuevamente la interseccin de las dos soluciones individuales 6 continuacin

se enlistan los pasos a seguir en la solucin>


8+maxd) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta

8+mine) &e busca el rango de valores 'interseccin( de las soluciones de c( y d(

para la solucin general y se elige un valor comercial de la resistencialimitadora de corriente en el rango de valores obtenidos'preferentemente lo ms cercano a su valor mximo(

f) &e calcula la disipacin de potencia requerida en la resistencialimitadora de corriente, a partir de la ecuacin !3



de !#v para suministrar una corriente de 13m6 a una carga que puede llegar a

desconectarse, es decir 3 K 8+K 13m6

&olucin

a) 566< !#v y 5z


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7min

6l igual que en el segundo tipo de diseo, puede llegar a ocurrir que no exista

una interseccin entre las dos soluciones, y de igual forma se recomienda

probar nuevamente el diseo incrementando la potencia del diodo zener a

utilizar

4. Diseo de un regulador de voltaje zener con I% varia.le V""varia.le

Este es el caso ms completo de diseo tambi"n, *til cuando por ejemplo lafuente a utilizar en el circuito regulador de voltaje tiene variaciones por ruido o

rizo, y cuando tambi"n se quiere considerar la posibilidad de que 8 +Juct*e por

ejemplo por una desconexin de la carga

El procedimiento para la solucin de un diseo de este tipo a)ora se debern

encontrar cuatro soluciones individuales y a partir de la interseccin de las

cuatro se obtendr la solucin general +as cuatro combinaciones para obtener

las soluciones individuales ser tomando 566min e 8+min, otra tomando 566min e

8+max, la tercera tomando 566max e 8+min y la cuarta tomando 566min e 8+min 6continuacin se enlistan los pasos a seguir en la solucin>


566mine 8+mind) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta

566mine 8+maxe) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta

566maxe 8+minf) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta

566maxe 8+maxg) &e busca el rango de valores 'interseccin( de las soluciones de c(, d(, e(

y f( para la solucin general y se elige un valor comercial de laresistencia limitadora de corriente en el rango de valores obtenidos'preferentemente lo ms cercano a su valor mximo(

h) &e calcula la disipacin de potencia requerida en la resistencialimitadora de corriente, a partir de la ecuacin !3


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que varia entre !3 y !#v para suministrar una corriente de 13m6 a una carga

que puede llegar a desconectarse, es decir 3 K 8+K 13m6

&olucin

a) 566< !#v y 5z

h) +a capacidad de disipacin de potencia requerida ser>@< '566maxF 5z(#D7

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