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Diodo Zener como tutorial de regulador de voltaje

Diodos

sin embargo, el Diodo Zener o “Diodo de ruptura”, como a veces también se los conoce, son básicamente los mismos que los diodos de unión PN estándar, pero están especialmente diseñados para tener un nivel bajo y específico Voltaje de ruptura inversa que aprovecha cualquier tensión inversa que se le aplique.

los diodo Zener se comporta como un diodo normal de uso generalConsiste en una unión PN de silicio y cuando se desvía en la dirección hacia adelante, es decir, Ánodo positivo con respecto a su Cátodo, se comporta como un diodo de señal normal que pasa la corriente nominal.

Sin embargo, a diferencia de un diodo convencional que bloqueacualquier flujo de corriente a través de sí mismo cuando está polarizado inversamente, es decir, el cátodo se vuelve más positivo que el ánodo, tan pronto como el voltaje inverso alcanza un valor predeterminado, el diodo Zener comienza a conducir en la dirección inversa.

Esto se debe a que cuando la tensión inversa aplicada a través del diodo Zener excede la tensión nominal del dispositivo, se llama un proceso Desglose de la avalancha ocurre en la capa de agotamiento del semiconductor y una corriente comienza a fluir a través del diodo para limitar este aumento de voltaje.

La corriente ahora fluye a través del diodo zener.aumenta dramáticamente hasta el valor máximo del circuito (que generalmente está limitado por una resistencia en serie) y una vez que se alcanza, esta corriente de saturación inversa permanece bastante constante en un amplio rango de voltajes inversos. El punto de voltaje en el cual el voltaje a través del diodo zener se vuelve estable se denomina "voltaje zener", (Vz) y para diodos zener, este voltaje puede variar desde menos de un voltio a unos pocos cientos de voltios.

El punto en el que la tensión Zener dispara ella corriente que fluye a través del diodo se puede controlar con gran precisión (hasta una tolerancia de menos del 1%) en la etapa de dopaje de la construcción semiconductora de los diodos, lo que le otorga una capacidad específica para el diodo voltaje de ruptura Zener, (Vz) por ejemplo, 4.3V o 7.5V. Este voltaje de ruptura Zener en la curva I-V es casi una línea recta vertical.

Características del diodo Zener I-V

características del diodo zener

los Diodo Zener Se utiliza en su “sesgo inverso” o inverso.modo de ruptura, es decir, el diodo de los diodos se conecta a la fuente negativa. A partir de la curva de características IV anterior, podemos ver que el diodo zener tiene una región en sus características de polarización inversa de casi un voltaje negativo constante independientemente del valor de la corriente que fluye a través del diodo y permanece casi constante incluso con grandes cambios en la corriente como siempre y cuando la corriente de diodos Zener permanezca entre la corriente de descomposición IZ (min) y la máxima calificación actual IZ (max).

Esta capacidad de controlarse puede ser usada paraGran efecto para regular o estabilizar una fuente de voltaje contra variaciones de suministro o carga. El hecho de que el voltaje a través del diodo en la región de ruptura sea casi constante resulta ser una característica importante del diodo Zener, ya que se puede utilizar en los tipos más simples de aplicaciones de regulador de voltaje.

La función de un regulador es proporcionar unavoltaje de salida constante a una carga conectada en paralelo con él a pesar de las fluctuaciones en el voltaje de suministro o la variación en la corriente de carga y el diodo Zener continuará regulando el voltaje hasta que la corriente de diodos caiga por debajo del mínimo IZ (min) Valor en la región de desglose inverso.

El regulador de diodo Zener

Diodos Zener Se puede utilizar para producir una tensión estabilizada.Salida con ondulación baja en condiciones de corriente de carga variable. Al pasar una pequeña corriente a través del diodo desde una fuente de voltaje, a través de una resistencia limitadora de corriente adecuada (RS), el diodo zener conducirá corriente suficiente para mantener una caída de voltaje de Vout.

Recordamos de los tutoriales anteriores que elLa tensión de salida de CC de los rectificadores de media o de onda completa contiene una ondulación superpuesta a la tensión de CC y, a medida que el valor de carga cambia, también lo hace la tensión de salida promedio. Al conectar un circuito estabilizador Zener simple como se muestra a continuación a través de la salida del rectificador, se puede producir un voltaje de salida más estable.

Regulador de diodo Zener

regulador de diodo zener

La resistencia, rS está conectado en serie con el diodo zener para limitar el flujo de corriente a través del diodo con la fuente de voltaje, VS Estar conectado a través de la combinación. La tensión de salida estabilizada Vafuera Se toma de todo el diodo zener. El diodo Zener está conectado con su terminal de cátodo conectado al riel positivo de la fuente de alimentación de CC, por lo que está polarizado en reversa y operará en su condición de ruptura. Resistor RS se selecciona para limitar la corriente máxima que fluye en el circuito.

Sin carga conectada al circuito, la corriente de carga será cero, (IL = 0), y toda la corriente del circuito pasa a través del diodo Zener que a su vez disipa su potencia máxima. También un pequeño valor del resistor serie RS resultará en una mayor corriente de diodo cuando la resistencia de carga RL Está conectado y es grande ya que esto aumentará larequisito de disipación de potencia del diodo, por lo que se debe tener cuidado al seleccionar el valor apropiado de la resistencia en serie para que no se supere la potencia máxima del zener en esta condición sin carga o de alta impedancia.

La carga se conecta en paralelo con el diodo Zener, por lo que la tensión a través de RL es siempre la misma que la tensión zener, (VR = VZ ). Hay una corriente mínima de Zener para la cual la estabilización de la tensión es efectiva y la corriente Zener debe mantenerse por encima de este valor que opera bajo carga dentro de su región de ruptura en todo momento. El límite superior de corriente depende, por supuesto, de la potencia nominal del dispositivo. La tensión de alimentación VS debe ser mayor que VZ.

Un pequeño problema con el estabilizador de diodo ZenerLos circuitos son que el diodo a veces puede generar ruido eléctrico en la parte superior de la alimentación de CC cuando intenta estabilizar el voltaje. Normalmente, esto no es un problema para la mayoría de las aplicaciones, pero puede ser necesario agregar un capacitor de desacoplamiento de gran valor a través de la salida del Zener para obtener un suavizado adicional.

Luego resumir un poco. Un diodo Zener siempre se opera en su condición de polarización inversa. Se puede diseñar un circuito regulador de voltaje usando un diodo Zener para mantener un voltaje de salida de CC constante a través de la carga a pesar de las variaciones en el voltaje de entrada o los cambios en la corriente de carga. El regulador de voltaje Zener consiste en una resistencia limitadora de corriente RS Conectado en serie con la tensión de entrada VS con el diodo Zener conectado en paralelo con la carga RL en esta condición de polarización inversa. La tensión de salida estabilizada siempre se selecciona para que sea la misma que la tensión de ruptura VZ del diodo.

Diodo Zener Ejemplo No1

Se requiere una fuente de alimentación estabilizada de 5.0V a partir de una fuente de entrada de fuente de alimentación de 12V DC. La potencia máxima nominal PZ Del diodo Zener es 2W. Usando el circuito regulador Zener de arriba, calcule:

una). La corriente máxima que fluye a través del diodo zener.

corriente de diodo zener

segundo). El valor mínimo de la resistencia en serie, RS

resistencia de la serie de diodos zener

do). La corriente de carga IL si se conecta una resistencia de carga de 1kΩ a través del diodo Zener.

corriente de carga de diodo zener

re). La corriente Zener IZ a plena carga.

corriente zener

Tensiones de diodo Zener

Además de producir una sola tensión estabilizada.salida, los diodos zener también pueden conectarse juntos en serie junto con diodos de señal de silicio normales para producir una variedad de valores de salida de voltaje de referencia diferentes como se muestra a continuación.

Diodos Zener conectados en serie

diodo zener voltaje de referencia

Los valores de los diodos Zener individuales se pueden elegir para adaptarse a la aplicación, mientras que el diodo de silicio siempre caerá entre 0,6 y 0,7 voltios en la condición de polarización directa. La tensión de alimentación, V> EN Por supuesto, debe ser más alto que el voltaje de referencia de salida más grande y en nuestro ejemplo anterior es de 19v.

Un tipico diodo Zener Para circuitos electrónicos generales es el de 500mW, BZX55 serie o el más grande 1.3W, BZX85 Las series en las que el voltaje Zener se da como, por ejemplo, C7V5 para un diodo de 7.5V que da un número de referencia de diodo de BZX55C7V5.

La serie de 500 mW de diodos zener está disponible.desde aproximadamente 2.4 hasta aproximadamente 100 voltios y típicamente tienen la misma secuencia de valores que se usa para la serie de resistencias del 5% (E24) con las clasificaciones de voltaje individuales para estos diodos pequeños pero muy útiles que se muestran en la siguiente tabla.

Diodos Zener Estándar Zener Voltajes

Potencia de diodo Zener BZX55 de 500 mW
2.4V 2.7V 3.0V 3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V
5.1V 5.6V 6.2V 6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V
11V 12V 13V 15V 16V 18V 20V 22V
24V 27V 30V 33V 36V 39V 43V 47V
Potencia de diodo Zener BZX85 1.3W
3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V 5.1V 5.6 6.2V
6.8V 7.5V 8.2V 9.1V 10V 11V 12V 13V
15V 16V 18V 20V 22V 24V 27V 30V
33V 36V 39V 43V 47V 51V 56V 62V

Circuitos de recorte de diodo Zener

Hasta ahora hemos visto cómo un diodo Zener puedepuede utilizarse para regular una fuente de CC constante, pero ¿qué sucede si la señal de entrada no era una CC de estado estable sino una forma de onda alterna de CA cómo reaccionaría el diodo Zener ante una señal en constante cambio?

Circuitos de recorte y sujeción de diodos son circuitos.que se utilizan para dar forma o modificar una forma de onda de CA de entrada (o cualquier sinusoide) que produce una forma de onda de salida de forma diferente según la disposición del circuito. Los circuitos de recorte de diodo también se denominan limitadores porque limitan o recortan la parte positiva (o negativa) de una señal de CA de entrada. Como los circuitos recortadores Zener limitan o cortan parte de la forma de onda a través de ellos, se utilizan principalmente para protección de circuitos o en circuitos de conformación de formas de onda.

Por ejemplo, si quisiéramos recortar una salida.forma de onda a + 7.5V, usaríamos un diodo zener de 7.5V. Si la forma de onda de salida intenta superar el límite de 7.5V, el diodo zener "recortará" el exceso de voltaje de la entrada produciendo una forma de onda con una parte superior plana que mantiene la salida constante en + 7.5V. Tenga en cuenta que en la condición de polarización directa, un diodo zener sigue siendo un diodo y cuando la salida de la forma de onda de CA es negativa por debajo de -0.7V, el diodo zener se pone en "ON" como lo haría cualquier diodo de silicio normal y recorta la salida a -0.7V como se muestra abajo.

Señal de onda cuadrada

diodo zener señal de onda cuadrada

Los diodos zener conectados espalda con espalda pueden serutilizado como un regulador de CA que produce lo que en broma se llama un "generador de onda cuadrada del pobre hombre". Usando esta disposición podemos recortar la forma de onda entre un valor positivo de + 8.2V y un valor negativo de -8.2V para un diodo zener de 7.5V.

Así, por ejemplo, si quisiéramos recortar una salida.forma de onda entre dos valores mínimos y máximos diferentes, por ejemplo, + 8V y -6V, simplemente usaríamos dos diodos Zener con diferente clasificación. Tenga en cuenta que la salida realmente recortará la forma de onda de CA entre +8.7V y -6.7V debido a la adición de la tensión del diodo de polarización directa.

En otras palabras, un voltaje pico a pico de 15.4 voltios en lugar de los 14 voltios esperados, ya que la caída de voltaje de polarización directa a través del diodo agrega otros 0.7 voltios en cada dirección.

Este tipo de configuración de clipper es bastanteComún para proteger un circuito electrónico de sobretensión. Los dos zener se colocan generalmente a través de los terminales de entrada de la fuente de alimentación y durante el funcionamiento normal, uno de los diodos zener está "APAGADO" y los diodos tienen poco o ningún efecto. Sin embargo, si la forma de onda del voltaje de entrada excede su límite, entonces el zener se enciende y recorta la entrada para proteger el circuito.

En el siguiente tutorial sobre diodos, veremos usando el PN sesgado hacia adelanteLa unión de un diodo para producir luz. Sabemos por los tutoriales anteriores que cuando los portadores de carga se mueven a través de la unión, los electrones se combinan con los orificios y la energía se pierde en forma de calor, pero también parte de esta energía se disipa como fotones, pero no podemos verlos.

Si colocamos una lente translúcida alrededor delEn la unión, se producirá luz visible y el diodo se convertirá en una fuente de luz. Este efecto produce otro tipo de diodo conocido comúnmente como el diodo emisor de luz que aprovecha esta característica de producción de luz para emitir luz (fotones) en una variedad de colores y longitudes de onda.

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