CARACTERISTICAS DEL DIODO ZENER

Guerrero A. F.2, Ruiz C.V1

1. Universidad del QuindíoFacultad de ciencias básicas y tecnológicas

Programa de física c33valentina@hotmail.com

2. Universidad del QuindíoFacultad de ciencias básicas y tecnológicas

Programa de física,

INTRODUCCIÓN

Comportamiento del Zener:

En polarización directa su comportamiento es análogo al del diodo de unión, pero en polarización inversa se comporta de manera distinta (figura 2 b), lo que le permite tener una serie de aplicaciones que no posee el diodo de unión.

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.

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 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.

Curva Característica De Un Diodo ZenerConforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy poco. Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante. Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa. Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente.

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 3 nos dice que:

R=V AA−V ZIT

=V AA−V Z

I Z+ I L(1)

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:

condicion1 :R=V AAmin−V Z

I Zmax+ I Lmin(2)

condicion2 :R=V AAmax−V Z

I Zmax+ I Lmin(3)

Igualando las ecuaciones (2) y (3) llegamos a que:

(V ¿¿ AAmin−V Z )¿(I Zmax+ I Lmin¿=(V ¿¿ AAmax−V Z)¿(I Zmax+ I Lmin¿ (4)

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 figura 5. 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 (4) se podrá entonces reescribir de la siguiente manera:

(V ¿¿ AAmin−V Z )¿(I Zmax+ I Lmin¿=(V ¿¿AAmax−V Z)¿(0.1 I Zmax+ I Lmax¿(5)

Resolviendo entonces para la máxima corriente zener, se obtiene:

I Zmax=I Lmin(V Z−V AAmin)+ I Lmax(V ¿¿ AAmax−V Z )

V AA min−0.9V Z−0.1V AAmax

(6)¿

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.

PR=I Imax (V AAmax−V Z )=( I Zmax+ I Lmin) (V AAmax−V Z )(7)

OBJETIVOS Observar los efectos de las polarizaciones directa e inversa de un diodo Zener.

Identificar las variaciones del circuito dependiendo a las variaciones de

resistencia.

Analizar y comprobar la operación eléctrica del diodo Zener

Determinar la curva característica de un diodo Zener, polarizado directa e

inversamente.

Resumen En el presente informe, se realizó el desarrollo experimental de la práctica de laboratorio características del diodo Zener, donde se usó un circuito básico conformado por 1 resistencia, un diodo y una fuente variable de voltaje, con la finalidad de estudiar el comportamiento de esté polarizado directa e inversa, esto para la primera parte, para la segunda parte se usó esto mismo, mas otra resistencia que se fue variando, para identificar el diodo como un regulador de tensión, a medida que se cambiaba las condiciones de corriente y resistencia.

Materiales: Multímetro

Fuente de voltaje,

Protoboard

Diodo zener de 1N4742

Resistencias varias.

DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO

Características tensión- corriente del diodo zener

En la práctica realizada, donde se estudió las características del diodo zener, se estudió en primera instancia un circuito sencillo, compuesto por una resistencia de 470Ω, un diodo zener 1N4742, y una fuente variable de voltaje, lo que se hizo fue variar los valores de voltaje, para hallar valores de corriente en el diodo, y luego buscar unos valores de corriente en el diodo, y se anotó los valores de voltaje para los cuales correspondía esta. El diodo estaba polarizado en inversa, el diagrama para el montaje del experimento se muestra en la fig. 1.

fig. 1, diagrama del montaje experimental

En la segunda parte del experimento, se cambió la polarización del diodo, en el circuito anterior, para hallar la corriente a la cual, el diodo comienza a conducir en directo.

Diodo zener como regulador de tensión

En esta parte del experimento, se utilizó un circuito un poco más complejo, donde se hizo el diseño se de la resistencia 1 la cual consistió en un valor de 222.2 Ω, pero para el montaje experimental se hizo uso de una de 220 Ω (fig.2), la resistencia 2 o R L, como se llama en la tabla 2, se cambió 4 veces, para así obtener, los valores pedidos en dicha tabla.

fig.3, diagrama del montaje experimental

Iz

1

2

RESULTADOS Y ANALISIS

Características tensión- corriente del diodo zenerVoltajeAB (V) Corriente I(mA) Resistencia zener (Ω)

3,0 4,6 652.176,0 10,3 545.458,0 15,3 522.871,2 1,0 12001,7 2,0 8503,1 5,0 6205,5 10 550

10,1 20 50514,7 30 49019,0 40 475

Tabla 1. Polarización inversa

Grafica 1. Polarización inversa

En esta se comprueba una relación lineal I(v), lo que nos indica que para tensiones positivas, al estar el diodo zener polarizado en inversa este se comporta como una resistencia común. Para esta grafica se obtuvo una regresión lineal I = 2.15006 V - 1.56815, R=0.998; en la que se comprueba alta precisión en los instrumentos de medida. La derivada de esta se interpreta como el inverso de la resistencia media que en este caso es de 465.11Ω

Polarización Directa:

VAB (V) 0.2 0.4 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8

I (mA) 0 0 0 0 0 123 252 377

RZ Ω 0 0 0 0 0 5.69 2.97 2.12Tabla2: diodo polarizado de manera directa.

Grafica 2. Polarización DirectaEn esta se comprueba una relación exponencial I(v) tal como establece la teoría. Se ve que para valores menores a cierto voltaje de arranque el diodo no conduce y que una vez superado este, para pequeñas variaciones en la tensión se aprecia un importante crecimiento en la corriente.

La tensión de arranque para este diodo es aproximadamente 0.7V, de lo que se infiere que probablemente fuese un diodo de Silicio.

Diodo zener como regulador de tensión

V AAmax=20V I Lmax=10mARL=2000

V z=¿0.91VI z=¿0.09A

I Lmin=1mARL=500

V z=¿1.66VI z=¿0.80A

V AAmin=15V I Lmax=10mARL=1500

V z=¿9.5VI z=¿0.09A

I Lmin=1mARL=15000

V z=¿9.68VI z=¿0.80A

Tabla 3. Regulador de tensión

En esta vemos que la tensión de entrada y la corriente de entrada están relacionadas de alguna forma proporcional, ya que un aumento o disminución en la tensión de entrada producen mismo efecto en la corriente. Ya que la tensión en el zener es constante las caídas de tensión se producen en la resistencia.

AnexosPreguntas

¿En qué condiciones de carga y tensión de entrada se producen los valores extremos de VZ?

¿Cuánto vale VZ en dichas condiciones?

0.91V ≤Vz≤9.68

Vz=0.91V ;V AAmax=20V I Lmax=10mA ;RL=2000

Vz=9.68V ;V AAmin=15V I Lmax=1mA ; RL=15000

¿Están estos valores dentro de la tolerancia especificada por el fabricante?Si, Según el datasheet del diodo 1N4742A el voltaje nominal del zener es de 12V

CONCLUSIONES

En polarización inversa, para valores positivos de la tensión el diodo zener tiene

un comportamiento Óhmico.

En polarización directa el diodo zener presenta un voltaje de arranque, a partir

del cual con pequeñas variaciones de tensión se produce una variación grande

en la corriente a través de él.

Gracias a sus propiedades de construcción, el diodo zener presenta una

excelente opción al momento de regular tensión en un circuito y así proteger

otros elementos sensibles a fuertes variaciones de voltaje.

BibliografíaPráctica 4.- Característica del diodo Zener/ Laboratorio de Electrónica de Dispositivos/ Facultad de Física/ Universidad de Valencia

Datasheet del diodo 1N4742A