Libro Calculo Vectorial

Efecto Zener. Diodo Zener

Los diodos zener o diodos de avalancha, se diferencian de los demás diodos semiconductores por el comportamiento de la característica inversa, que presenta una región en la cuál la tensión es casi independiente de la corriente por el diodo. Esto lo hace muy útil en las aplicaciones en que se requiere una referencia de voltaje.

La tensión zener de cualquier diodo está controlada por la cantidad de dopado aplicada en el proceso de fabricación. Los normales varían entre 2 y 200 V con capacidades de disipación de potencia de hasta 100 W.

En la mayoría de las aplicaciones el diodo trabaja en la región inversa. Una aplicación típica es en la regulación de voltaje.

Funcionamiento:

Si la tensión de entrada aumenta, el diodo tiende a mantener una tensión constante entre los terminales de la carga, de modo que la caída de tensión en ri aumenta. El incremento resultante de Ii circula a través del diodo, mientras que la corriente a través de la carga se mantiene constante.

Ahora supongamos que la tensión de entrada permanece constante, pero que la resistencia de carga disminuye. Esto requiere un incremento de la corriente por la carga. Esta corriente no puede proceder de la fuente ya que la caída en ri y la corriente suministrada, no cambiarán mientras el diodo trabaje dentro de su zona de regulación. La corriente de carga adicional será debida a la disminución de la corriente a través del zener.

En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua (tensión de codo). En la zona de ruptura, entre la tensión de codo y la tensión zener (Vz nom) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de ruptura se puede considerar como un generador de tensión de valor Vf= -Vz.

El zener se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zona de ruptura.

Podemos distinguir:

• 1. Vz nom, Vz: Tensión nominal del zener (tensión en cuyo entorno trabaja adecuadamente el zener).

• 2. Iz min: Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de ruptura (Vz min).

• 3. Iz max: Máxima corriente inversa que puede atravesar el diodo a partir de la cual el dispositivo se destruye (Vz max).

• 4. Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente. Aproximadamente se corresponde con el producto de Vz nom y Iz max.

Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular una corriente inversa mayor o igual a Iz min.

La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que

Iz max.

La potencia nominal Pz que puede disipar el zener ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito.

Curva característica de un diodo zener con Vz= 5’6v

Efecto Avalancha

Justo en el límite antes de llegar a Ruptura, la pila va acelerando a los electrones. Y estos electrones pueden chocar con la red cristalina, con los enlaces covalentes. Choca el electrón y rebota, pero a VRuptura la velocidad es muy grande y por ello la Ec es tan grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. El electrón incidente sale con menos velocidad que antes del choque. O sea, de un electrón libre obtenemos dos electrones libres.

Estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por Avalancha.

Y ahora IR ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande (-100 mA). Con esta intensidad el diodo se estropea porque no está preparado para trabajar a esa IR.

5 DIODOS ZENER

Algunos diodos se diseñan para aprovechar la tensión inversa de ruptura, con una curva característica brusca o afilada. Esto se consigue básicamente a través del control de los dopados. Con ello se logran tensiones de ruptura de 2V a 200V, y potencias máximas desde 0.5W a 50W.

La característica de un diodo zener se muestra en la Figura 17. Teóricamente no se diferencia mucho del diodo ideal, aunque la filosofía de empleo es distinta: el diodo zener se utiliza para trabajar en la zona de ruptura, ya que mantiene constante la tensión entre sus terminales (tensión zener, VZ). Una aplicación muy usual es la estabilización de tensiones.

Figura 17: Característica V-I de un diodo Zener.

Los parámetros comerciales del diodo zener son los mismos que los de un diodo normal, junto con los siguientes:

• VZ: Tensión de zener

• IZM: Corriente máxima en inversa.

NOTA: Hay que tener en cuenta que el fabricante nos da los valores de VZ y IZM en valor absoluto. Al resolver un problema, no hay que olvidar que los valores son negativos con el criterio de signos establecido por el símbolo del componente (Figura 17).

El zener es un dispositivo de tres estados operativos:

• Conducción en polarización directa: Como en un diodo normal

• Corte en polarización inversa: Como en un diodo normal

• Conducción en polarización inversa: Mantiene constante la V=VZ, con una corriente entre 0 y IZM.

El modelo lineal por tramos para el diodo zener es el siguiente:

Estado Modelo Condición

Conducción P.D. V=VON I>0

Corte I=0 VZ<V<VON

Conducción P.I. V=VZ I<0

6 EJEMPLO DE APLICACION DEL DIODO: RECTIFICACION

La energía eléctrica generada en las centrales de potencia es de tipo alterna sinusoidal. Esta energía se transmite hasta los centros de consumo mediante las redes de distribución. Sin embargo, en muchas ocasiones, se requiere una tensión de alimentación continua. Un rectificador es, básicamente, un dispositivo que transforma la tensión alterna en continua.

Figura 18: Esquema general de la rectificación.

El rectificador es un aparato muy empleado en la vida diaria. Una gran parte de los electrodomésticos utilizados en el hogar llevan incorporado un dispositivo de este tipo. En general, estos aparatos necesitan menos tensión de alimentación que la suministrada por la red, por ello llevan incorporado en primer lugar un transformador de tensión. El transformador reduce la tensión de la red (220V eficaces es una tensión generalmente demasiado alta para pequeños electrodomésticos) a la tensión deseada. Una vez reducida la tensión, el rectificador convierte la tensión alterna en continua.

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