Apuntes de electrónica

El diodo Zener

La aplicación de estos diodos se ve en los Reguladores de Tensión y actúa como dispositivo de tensión constante (como una pila).
Símbolo:

Característica
Su gráfica es de la siguiente forma:

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.

La potencia máxima que resiste en la "Zona de Ruptura" ("Zona Zener"):

En la zona de ruptura se produce el "Efecto Avalancha" ó "Efecto Zener", esto es, la corriente aumenta bruscamente.
Para fabricar diodos con un valor determinado de tensión de ruptura (V_Z) hay que ver la impurificación porque V_Z es función de la impurificación (N_A ó N_D), depende de las impurezas.

La zona de ruptura no es una vertical, realmente tiene una inclinación debida a R_Z:

En un "Diodo Zener Real" todos son curvas, pero para facilitar los cálculos se aproxima siempre.

Las aproximaciones para el zener son estas:
Modelo ideal (1ª aproximación)

Si buscamos su equivalente veremos que es una pila con la tensión V_Z.

Esto solo es válido entre I_Zmín y I_Zmáx.
2ª aproximación

Como en el caso anterior lo sustituimos por un modelo equivalente:

Simulación
El circuito es un limitador con diodos zener. En este circuito, cuando un diodo esta polarizado en directa, el otro diodo lo estará en inversa.
Se utiliza la segunda aproximación de los diodos.
Podemos variar la escala de la gráfica modificando la escala del eje y.
Cada vez que se introduzcan nuevos datos, pulsar el botón "Calcular".
Para realización de esta simulación se han tomado estas equivalencias:
R_L = Rload    V_L = Vload

El Regulador Zener

Anteriormente habíamos visto este circuito:

Primeramente supondremos que están conectados directamente, por lo tanto v_C = v_L entonces:

Problemas que podemos tener:

• R_L variable (variaciones de carga).
• Variaciones de tensión de red (variaciones de red).

Debido a estos dos problemas la onda de salida de ese circuito puede variar entre dos valores y como nuestro objetivo es obtener una tensión constante a la salida tendremos que hacer algo. Para resolver este problema ponemos un regulador de tensión basado en el diodo zener.

Ahora vamos a analizar este regulador de tensión.
Regulador de tensión en vacío (sin carga)

vS estará entre un mínimo y un máximo, y el regulador tiene que funcionar bien entre esos 2 valores (vSmáx y vSmín).En este caso vS lo pondremos como una pila variable.

Además para que funcione correctamente el zener tiene que trabajar en la zona de ruptura.

Para que esté en ruptura se tiene que cumplir:

EJEMPLO: Comprobar si funciona bien el siguiente circuito:

Hay que ver si en la característica los valores se encuentran entre I_Zmín y I_Zmáx para comprobar si funciona bien.

Funciona bien porque se encuentra entre los dos valores (máximo y mínimo). La salida es constante, lo que absorbe la tensión que sobra es la R (que es la resistencia limitadora).
Regulador de tensión con carga

Para comprobar que estamos en ruptura calculamos el equivalente de Thevenin desde las bornas de la tensión V_Z:

Como en el anterior caso los valores del circuito tienen que estar entre un máximo y un mínimo:

El zener absorbe la corriente sobrante (I_Z variable) y la resistencia (R) la tensión sobrante. Entonces a la salida la forma de la onda es la siguiente:

• 2ª aproximación

El circuito equivalente sería de la siguiente forma:

A ese circuito se le aplica la superposición:

Como la superposición es la suma de estos 2 circuitos la solución será esta:

Con esto se ve que lo que hace el zener es "Amortiguar el rizado". Veamos cuanto disminuye el rizado:
EJEMPLO:1N961   V_Z = 10 V  R_Z = 8,5 V  V_Rentr. = 2 V

Si quiero disminuir más el rizado pondría otro regulador que disminuiría más el rizado pico a pico:

Coeficiente de temperatura

Anteriormente habíamos visto que dependiendo de la impurezas que tengamos se puede conseguir un zener con distinto V_Z (diferentes tipos de zener).

Además esto es para una misma temperatura, pero si se varía la temperatura se comporta de otra manera, veámoslo con un ejemplo:
EJEMPLO:

En este caso el zener tiene un "Coeficiente de Temperatura Negativo" (porque al aumenta la temperatura disminuye V_Z). Esto les ocurrirá a todos los zener hasta V_Z = 5 V. Veamos que ocurre cuando tenemos un valor mayor de V_Z.
EJEMPLO: V_Z = 15 V

Ocurre todo lo contrario que antes, la V_Z aumenta con la temperatura, este zener tiene un "Coeficiente de temperatura positivo". Y esto ocurre para todos los zener de 6 V en adelante.
La razón por lo que pasa eso es porque para menos de 5 V se da el "Efecto Zener". Pero a partir de 6 V se da el "Efecto Avalancha".

¿Que hacer si queremos alimentar una carga a 11 V?

Si queremos que no varié mucho es mejor que pongamos 2 de 5,5 V porque no varían tanto con la temperatura. Para que la tensión sea más estable y no varíe tanto con la temperatura.

Otro tipo de encapsulado que tiene  2 diodos dentro es este:

En este caso tenemos un diodo normal y un zener. En este caso además de compensarse es bastante estable.
EJEMPLO:

Es un convertidor CC/CC (continua en continua). Convierte 18 V en 10 V. ¿Cómo funciona? Hay que ver si el zener trabaja en ruptura.

Pero todavía hay que ver la corriente, veamos tres casos:

Recordar para estar en ruptura se tenía que cumplir: