Hoja de características de un zener

Vamos a ver el calculo de los valores a partir de la hoja de características con un ejemplo.
EJEMPLO: 1N759 V_Z = 12 V I_ZT = 20 mA
El fabricante suele dar un valor intermedio de V_Z y I_ZT.(corriente de prueba, valor al que el fabricante a hecho esa prueba).

Al ser una curva, su pendiente varía y su R_Z también, entonces el fabricante suele dar el valor en ese punto:
R_Z = Z_ZT = 30 W a I_ZT = 20 mA
I_Zmáx = 30 ÷ 35 mA (esta variación entre diodos iguales es debida a la tolerancia).
Haciendo algunos cálculos:
P_Z = V_Z·I_Z = 12·30 = 360 mW                   = 12·35 = 420 mW
Tolerancia: En cuanto a la tensión zener (V_Z):
Serie 1N746 (1N746 al 1N759) ± 10 %
Serie 1N746A (1N746A al 1N759A) ± 5 %
EJEMPLO:  1N759      V_Z = 12 V ± 10 % (13,2 V y 10,8 V)
                      1N759A   V_Z = 12 V ± 5 % (12,6 V y 11,4 V)

Dispositivos Optoelectrónicos

Son los dispositivos que están relacionados con la luz:

Diodo LED.
Fotodiodo.
Display de 7 segmentos.
Optoacoplador.

Diodo Led

Es un diodo emisor de luz. Símbolo:

Se basa en:

El negativo de la pila repele a los electrones que pasan de n a p, se encuentran en p con un hueco, se recombina con él y ya no es electrón libre, al bajar de BC a BV pierde una energía E que se desprende en forma de luz (fotón de luz).
Diferencias entre un diodo normal y un LED:

Diodo normal, E en forma de calor.
Diodo LED, E en forma de fotón.(E = h*f, h = cte de Planck, f = frecuencia que da color a esa luz).
Diodo normal hecho de silicio.
Diodo LED hecho de As, P, Ga y aleaciones entre ellas. Para cada material de estos la distancia de BC y BV es distinta y así hay distintos colores, y mezclándolos se consiguen todos, hasta de luz invisible al ojo humano.

Aplicación:

Lámparas de señalización.
Alarmas (fotones no visibles).
Etc...

El diodo LED siempre polarizado en directa, y emitirá luz.
Podemos usar esto en una fuente de alimentación que hemos dado.

La intensidad del LED:

Normalmente para el valor de 10 mA se suelen encender (ver en el catálogo). La tensión en el LED:

Diferencia con el silicio, la tensión es mayor. Cuando no dice nada se coge V_LED = 2 V.

Aquí el diodo LED es un indicador que nos dice si la fuente de alimentación está encendida o apagada.
EJEMPLO: TIL 222 LED verde
V_LED = 1,8 : 3 V
Hay que ver que luz da, si funciona bien en ese rango de valores. Se sacan las intensidades para los 2 extremos:

La corriente varía muy poco, lo que implica que la iluminación varía muy poco, está muy bien diseñado.
EJEMPLO:

No es muy buen diseño porque la intensidad varía bastante, y la iluminación varía mucho.
Conclusión: Los circuitos con tensiones grandes y resistencias grandes funcionan bien, por lo tanto, si se pueden tomar valores grandes.
Display de 7 segmentos
Son 7 diodos LED:

Se utiliza en electrónica digital con + 5 V y 0 V.
EJEMPLO: El 7:

En este ejemplo se han encendido los LED A, B y C.
Simulación
En esta applet podemos ver los distintos dígitos que se pueden conseguir utilizando el display de 7 segmentos.
Al pulsar cada botón aparecerá el dígito respectivo.

El Fotodiodo
Recibe luz, al contrario que el led:

Se usa en polarización Inversa. Diodo normal en inversa:

Cuando se coloca una pila en inversa, el negativo atrae a los huecos y los saca de la unión con el ión ( lo mismo con el positivo y los electrones). Pero se llega a un equilibrio, un equilibrio con una W (anchura de z.c.e.) concreta.
Y no tenemos ni huecos ni electrones en la z.c.e. (W) y esa unión me la pueden pasar los portadores (h y e) (solo quedan los iones en la W).

Hay una pequeña generación térmica y los pares h-e que se crean se recombinan antes de llegar a W... No sirve para nada, se recombinan pero los que se generan cerca de la unión pueden cruzar y los minoritarios sirven para cruzar y tenemos e hacia la izquierda y h hacia la derecha. Tenemos así una corriente inversa de saturación que es muy pequeña. Otra corriente que tenemos es la I_f que es también pequeña.
Se suele coger la corriente de p hacia n, en la realidad es al revés, por eso I = -I_S - I_f, es negativa.
En un fotodiodo además de la generación térmica se le suma la "Generación por energía luminosa", que la crean los fotones que atacan cerca de la unión formando más pares h-e y por lo tanto más corriente. Entonces tenemos:

Y la corriente es mayor:

Aumenta en valor absoluto. Es para convertir energía luminosa en energía eléctrica.
Aplicación: Las placas solares están basadas en los fotodiodos. Si los pongo en paralelo es el doble, por eso se ponen muchos.

Pero el rendimiento es pequeño todavía. En fotodiodos interesa que la luz se de cerca de la unión por eso están pintadas de negro en todo excepto cerca de la unión.

El Optoacoplador
Es un encapsulado con 4 patillas, también de negro, para que no salga luz de dentro hacia fuera.

Si vario la pila varía I_LED, varía la iluminación que recibe el fotodiodo, varía su corriente I. Esta variación de V afecta a la I y esta a la tensión en R_L. En realidad ese circuito es como:

Pero el fotodiodo sirve para aislar, puede dar problemas conectar directamente a la carga.
EJEMPLO: Conectar un torno, le tengo que pasar información con un control numérico.

Le mando información en 5 V y 0 V y como es un ambiente malo puede haber información que varía, picos problemas (o vuelven del torno picos). Hay que aislar un circuito de control (CNC) de la máquina que voy a controlar.

El optoacoplador suele quitar los picos, amortigua los parásitos, no reacciona tan bruscamente a la luz y se reducen esos picos problemáticos.
Aplicación: Osciloscopio
Tiene problemas de tierra. Se puede hacer un cortocircuito entre las 2 tierras

Solución poner un Optoacoplador para medir lo que se quiera.

Ahora si se puede y no tenemos el cortocircuito que teníamos anteriormente.

El Varicap

El Varicap (Epicap, capacidad controlada por tensión o diodo de sintonía) es un diodo que se comporta como un condensador donde la capacidad esta controlada por la tensión.

Las regiones p y n se comportan como las placas de un condensador y la zona de deplexión es como el dieléctrico.

En inversa la anchura de la "Zona de deplexión" aumenta con la tensión inversa y la capacidad disminuye.

Problema 5.1.
Queremos construir un circuito estabilizador (Regulador) que entregue a la salida una tensión de 5,1 V, sabiendo que la carga consume una I_Lmáx = 100 mA, siendo I_Lmín = 0 y que dispone de una alimentación que varía entre 9 V y 10 V. Los diodos zener de que se dispone son:

Elegir el componente que corresponda y diseñar el circuito.
Solución:

Hay que elegir el más barato que se pueda. Si cogemos el Z₁:

Si se abre la carga por el zener irían 105 mA y como I_Zmáx = 78 mA no podría funcionar, se quemaría y se estropearía no la resistiría. Si probamos con Z₂:

Veamos si es suficiente esa corriente, la peor suposición es I_Lmáx = 100 mA.

Si abrimos la carga los 150 mA van por el zener y como soporta hasta 294 mA si valdría, el Z₂ es el adecuado. Ahora elegiremos la resistencia (R).
Tenemos dos puntos importantes para analizarlos:

Peligro de que el zener se quede sin corriente

Suposiciones críticas para ese punto:

El peor caso para que el zener se quede sin corriente es que vaya el máximo valor por R_L o que vaya el mínimo de tensión por R_L (9 V).
Si varío esa R por ejemplo a 30 W:

Disminuye la I_Z al aumentar la R. Por lo tanto no puedo poner resistencias mayores que 26 W. Si ponemos resistencias menores que 26 W la intensidad zener aumenta y por lo tanto si se pueden poner.

En el otro punto peligroso.

Peligro de que el zener se queme

Entonces la resistencia esta entre estos dos valores:

Cualquier valor entre estos dos valores valdría, tomamos por ejemplo: R = 22 W. Vemos que ocurre en los 2 casos extremos:

Ahora que sabemos en que zona trabaja el zener tenemos que calcular de que potencia elegimos esa resistencia.

Peor caso: I_Z = 222 mA P = (10-5,1)·222·10^-3 = 1,08 W
Se coge una valor normalizado de 2 W.

Ahora vamos a ver el rango de valores por el que mueve la resistencia de carga (R_L):

Calculo de la Recta de carga: Tomaremos el convenio de la figura con lo que nos saldrán la intensidad y la tensión negativas (en el tercer cuadrante).

Punto A

Punto B

Finalmente la representación gráfica de esas ecuaciones queda de la siguiente manera:

Las dos rectas de carga son paralelas. Los demás puntos están entre esas dos rectas paralelas.
Problema 5.2.
a) Un diodo zener que disipa una P_máx = 0.2 W, regula a 5 V desde una I_Zmín = 5 mA. Se pretende construir un regulador de 5 V que regule desde I_L = 0 hasta el valor máximo de I_L. Suponiendo una v_i = 20 V. Determinar el valor de la Resistencia, su potencia y la I_Lmáx.

Solución:
Primeramente calcularemos los puntos límite de ruptura del diodo zener:

Si la R_L está en vacío, por la R va el máximo valor de la intensidad por el zener (I_Zmáx = 40 mA). Para calcular el valor máximo de la intensidad por la carga, vemos que por el zener la I_Lmín = 5 mA y como hemos dicho que el valor máximo por R son 40 mA, entonces por la carga el máximo valor que irá será: I_Lmáx = 35 mA. Ahora calcularemos los valores de la resistencia (R), la tensión por la resistencia (V_R) y la potencia por la resistencia (P_R).

b) Suponiendo que se mantiene la R del apartado a) y que la R_L es cte y de valor 200 W, hallar el valor máximo y mínimo de la tensión de entrada para que el circuito regule bien.
Solución:

Para calcular los valores máximo y mínimo de la tensión de entrada tengo que estar en los puntos límite del circuito.

Con lo que tenemos un rizado a la entrada entre esos 2 valores.
Problema 5.3.

En circuito estabilizador de la figura, los valores nominales son:

a) Calcular la R_limitadora usando los valores nominales. Usar este valor para los siguientes apartados.
Solución:
Aplicamos la 2ª aproximación y sustituimos por el modelo de esa 2ª aproximación.

b) Se desea que la carga esté alimentada a una tensión de 5 V, con variaciones de corriente de 10 mA a 20 mA, si bien la nominal es de 20 mA. Si la v_e tiene un rizado de + 12 % y -11 % con respecto al valor nominal de 10V, calcular el tanto por cien de la variación de I_S entre 10 mA y 20 mA. Calcular la máxima potencia disipada por el diodo zener.
Solución:

Peligro de que el zener se quede sin corriente

La variación de este valor con respecto al ideal es de:

Peligro de que el zener se queme (aunque halla un margen de seguridad)

La variación respecto al ideal:

El zener sufre más en el caso 2 y su potencia será la máxima en este caso.

P_Z = 5,2 50 = 260 mW

No se quemará con esta potencia porque el máximo valor el P_Zmáx = 400 mW
c) Variación en % de la tensión de salida para una variación de la intensidad de carga de ±55 % con respecto al valor nominal, con v_e = cte.
Solución: