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El diodo zener es un dispositivo electrnico que trabaja en la zona deruptura de la regin de polarizacin inversa, donde se forma un codo donde el
voltaje se mantiene jo entre sus terminales a un valor Vz, mientras la
corriente Izpuede variar entre un lmite mnimo (IZmin)a partir del cual el
voltaje permanece constante, y un lmite mximo (IZmax) al cual se asegura
el diodo no se daar Esto se puede observar en su curva caracterstica dela siguiente gura !, as tambi"n la gura # muestra el smbolo del diodo
zener
$igura ! %urva caracterstica de un diodo zener
$igura # &mbolo del diodo zener
El lmite superior de la corriente que puede circular por un diodo zener
'Izmax(, debe ser tomado en consideracin en un diseo para evitar que el
diodo zener se dae por sobrecalentamiento, y el lmite inferior permitir que
el zener se encuentre por arriba del codo que se forma al momento de entrar
en la zona de ruptura inversa
Esta caracterstica del diodo zener de mantener un voltaje jo cuando lacorriente vara, lo )ace *til para ser utilizado como regulador de voltaje,
sirviendo como fuente de alimentacin para otro circuito o para generar un
nodo que sirva como referencia de voltaje
+os diodos zener &e comercializan por su valor de voltaje (VZ),encontrndose de valores de -, ., /, /0, 1!, 1-, -#, -2, 01, 2#, .!,
!3, !!, !#, !, !1, !-, !2, #3, ##, #/, #0, 3, , -, ., /, /0, 1!, 1-, -# y -2
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volts 'incluso algunos ms elevados(, y por su potencia (PZ), existiendo de
3#1, 31, !, 1, !3 y )asta 13 4atts
Diseo de un circuito regulador de voltaje con diodo zener
El circuito tpico de un regulador de voltaje con diodo zener se muestra en la
gura , consta de una fuente de alimentacin a la que llamaremos 566, una
resistencia limitadora de corriente llamada simplemente 7, el diodo zener y
una carga a la cual se le entrega el voltaje regulado y que consume cierta
cantidad de corriente, esta carga se simboliza como 7+ , aunque no
necesariamente es una simple resistencia, puede ser todo un circuito
electrnico que requiera de ser alimentado al voltaje 5z y que consume una
corriente 8+
$igura %ircuito tpico de un regulador de voltaje con diodo zener
En el circuito vemos que 59:;< 5=, y este ser prcticamente constante, solo
si la corriente 8=se logra mantener entre los valores 8=mine 8=max Estos lmitesson calculados de acuerdo a las siguientes ecuaciones>
IZmax= PZ/VZ Ecuacin !
IZmin=0! IZmax Ecuacin #
8+es la corriente que demanda la carga conectada al circuito regulador, esta
corriente 8+puede ser constante, o variable, siendo esta segunda condicin ms
com*n en el comportamiento de un circuito 'por ejemplo un circuito donde un
led enciende y apaga, este demandar mayor corriente cuando el led este
encendido que cuando est" apagado, o un circuito donde se debe considerar laposible descarga de la carga, esto )ara que 8+en un momento dado se deba
considerar de un valor de cero(
+a fuente de alimentacin 566 ser un elemento que como condicin ms
importante que debe cumplir es que V""VZ, de no ser as no )abr forma
alguna de que exista una solucin de diseo al circuito regulador de voltaje con
diodo zener
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La resistencia R ser el elemento ms importante a determinar en un
diseo 6 trav"s de esta resistencia circulara una corriente a la que
llameremos 8; , que como podemos apreciar en la gura , esta tendr un
valor de >
I#= IZ$I% ? Ecuacin Es decir, la ecuacin indica que por esta resistencia circula la suma de la
corriente del zener y la que se suministra a la carga en cualquier momento
@ero 8z no es de un valor *nico, sino que puede estar dentro de un rango entre
Izmin e Izmax con el n de que el diodo zener est" trabajando en la zona
correcta de su curva caracterstica y pueda actuar verdaderamente como un
regulador de voltaje
As entonces vemos que ITen todo momento puede tener un valor tan pequeo
pero que al dividirse alcance al menos para cubrir los requerimientos de la
corriente de carga y la corriente mnima de operacin del diodo zener (Izmin.Aunque tambien IT puede ser tan grande queal dividirse suministre la
corriente a la carga, y el resto no sobrepase la corriente mxima soportada por
el zener (Izmax)
El prrafo anterior son condiciones muy importantes a tener en cuenta cuando
generemos los procedimientos de diseo
@or otro lado si el zener est operando correctamente en la regin de
regulacin, y de acuerdo al circuito de la gura , el voltaje en la resistencia
limitadora de corriente, estar dado por>
V&= V""' VZ Ecuacin /
Ae acuerdo a ley de 9)m y a las ecuaciones y / que muestran la corriente y
el voltaje en la resistencia limitadora de corriente 7, obtenemos>
I#= V&/& = (V""' VZ) / &= Iz $ I% ? Ecuacin 1
@ara anlisis tomando la primera seccin de la ecuacin 1 ' I#= V&/&)
observamos que mientras mayor sea el valor de& I#ser cada vez mspequea, y podra no ser suciente para cubrir las necesidades de IZmine I%, o
bien si & es demasiado pequea I# podra ser muy grande, pudi"ndose
sobrepasar el valor de 8=max y daar el diodo zener 6s por tanto un valorcorrecto de esta resistencia permitir estar en una regin intermedia donde I#tenga un valor mximo tal que al suministrar la corriente a la carga I%, el resto
no sobrepase el valor de IZmaxe I#tenga un valor mnimo tal que sea suciente
para suministrar I%e IZmin
&i de la ecuacin anterior despejamos el valor de 7 obtendremos>
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&=(V""' VZ) /( Iz $ I%) ? Ecuacin -
Ae acuerdo a lo descrito anteriormente, el valor ms grande de resistencia
limitadora la corriente permitir que 8;alcance al menos para suministrar 8+e
8zmin, de donde a partir de la ecuacin - podemos escribir>
7max
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corriente 8+requerida por la carga que se va a conectar al regulador de voltaje,
y el valor de la fuente de voltaje 566a partir de la cual obtendremos el voltaje
regulado, podemos encontrar el rango de valores de la resistencia limitadora
de corriente que podemos utilizar, de acuerdo a los siguientes pasos>
a) 5ericar que 566C 5z, de no ser as el diseo no es factibleb) %alcular 8zmax e 8zmin de acuerdo a las ecuaciones ! y #c) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2d) &e elige un valor comercial de la resistencia limitadora de corriente en el
rango de valores obtenidos 'preferentemente lo ms cercano a su valormximo(
e) &e calcula la disipacin de potencia requerida en la resistencialimitadora de corriente a partir de la ecuacin !3
+jem,lo-se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un
diodo zener de volts y 31 4 de potencia, a partir de una fuente de voltaje
de !# volts y que pueda suministrar 13m6 a un carga conectada al mismo
&olucin
a) 566< !#v y 5z
2. Diseo de un regulador de voltaje zener con V""varia.le e I%*ja
Este es un caso de diseo muy com*n, muc)as fuentes de voltaje presentan
ruido o rizo, que )ace Juctuar su valor entre un lmite mximo ' V""max( y un
mnimo 'V""min(, pero que no es deseable ser aplicado a un circuito de carga
:n circuito regulador con diodo zener bien diseado, puede entregar un voltaje
regulado a partir de una fuente de voltaje con estos problemas
+a solucin a un diseo de este tipo se separa en )acer un doble clculo delprimer diseo explicado anteriormente &e calcula un rango de valores de 7
tomando en cuenta solo el valor mximo de 566, despu"s se calcula un
segundo rango de valores de 7 tomando a)ora el valor mnimo de 566
$inalmente la solucin general ser la interseccin de las dos soluciones
individuales, es decir, los valores que aplican como solucin a ambos casos 6
continuacin se enlistan los pasos a seguir en la solucin>
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a) 5ericar que 566C 5z, de no ser as el diseo no es factibleb) %alcular 8zmax e 8zmin de acuerdo a las ecuaciones ! y #c) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta
566maxd) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta
566min
e) &e busca el rango de valores 'interseccin( de las soluciones de c( y d(para la solucin general y se elige un valor comercial de la resistencialimitadora de corriente en el rango de valores obtenidos'preferentemente lo ms cercano a su valor mximo(
f) &e calcula la disipacin de potencia requerida en la resistencialimitadora de corriente, tomando el mximo voltaje que pueda existirsobre ella 'con 566max(, a partir de la ecuacin !3
+jem,lo-se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un
diodo zener de volts y 31 4 de potencia, a partir de una fuente de voltaje
que tiene Juctuaciones entre los !3 y !# volts, y que pueda suministrar 13m6
a un carga conectada al mismo
&olucin
a) 566min< !3v y 5z /#2 K 7 K!3#.! Aedonde se puede elegir 7
f) +a capacidad de disipacin de potencia requerida ser>@< '566 F 5z(#D7
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+jem,lo-se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un
diodo zener de volts y 31 4 de potencia, a partir de una fuente de voltaje
que tiene Juctuaciones entre los /1 y 11 volts, y que pueda suministrar
#33m6 a un carga conectada al mismo
&olucin
a) 566min< /1v y 5z
c) @rimer rango calculado a partir de 566maxposible encontrar una solucin de diseo
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3. Diseo de un regulador de voltaje zener con I% varia.le V""*jo
Este es un caso de diseo tambi"n muy *til y muy importante a tener en
cuenta en circuitos reguladores de voltaje con diodo zener donde pueda llegar
a ser com*n que la carga sea desconectada +a desconexin de la carga
provocar que toda la corriente que antes se le entregaba a esta, proveniente
desde 8;,, a)ora se desvie por completo al zener, esta corriente podra superar
a)ora la mxima corriente soportada por el zener y daarlo 6s entonces si
diseamos un circuito de este tipo donde se considere que 8 +puede tomar un
valor mximo en un momento dado 'carga conectada( y un valor de cero en
otro momento 'carga desconectada( podremos evitar que el dao al diodo
zener pueda presentarse
El procedimiento para la solucin a un diseo es muy semejante al segundo
tipo de diseo expuesto anteriormente, donde se debe de )acer un doble
clculo, calculando un rango de valores de 7 tomando en cuenta solo el valor
mximo de 8+, posteriormente despu"s se calcula un segundo rango de valoresde 7 tomando a)ora el valor mnimo de 8+ $inalmente la solucin general ser
nuevamente la interseccin de las dos soluciones individuales 6 continuacin
se enlistan los pasos a seguir en la solucin>
a) 5ericar que 566C 5z, de no ser as el diseo no es factibleb) %alcular 8zmax e 8zmin de acuerdo a las ecuaciones ! y #c) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta
8+maxd) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta
8+mine) &e busca el rango de valores 'interseccin( de las soluciones de c( y d(
para la solucin general y se elige un valor comercial de la resistencialimitadora de corriente en el rango de valores obtenidos'preferentemente lo ms cercano a su valor mximo(
f) &e calcula la disipacin de potencia requerida en la resistencialimitadora de corriente, a partir de la ecuacin !3
+jem,lo-se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un
diodo zener de volts y 31 4 de potencia, a partir de una fuente de voltaje
de !#v para suministrar una corriente de 13m6 a una carga que puede llegar a
desconectarse, es decir 3 K 8+K 13m6
&olucin
a) 566< !#v y 5z
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7min
6l igual que en el segundo tipo de diseo, puede llegar a ocurrir que no exista
una interseccin entre las dos soluciones, y de igual forma se recomienda
probar nuevamente el diseo incrementando la potencia del diodo zener a
utilizar
4. Diseo de un regulador de voltaje zener con I% varia.le V""varia.le
Este es el caso ms completo de diseo tambi"n, *til cuando por ejemplo lafuente a utilizar en el circuito regulador de voltaje tiene variaciones por ruido o
rizo, y cuando tambi"n se quiere considerar la posibilidad de que 8 +Juct*e por
ejemplo por una desconexin de la carga
El procedimiento para la solucin de un diseo de este tipo a)ora se debern
encontrar cuatro soluciones individuales y a partir de la interseccin de las
cuatro se obtendr la solucin general +as cuatro combinaciones para obtener
las soluciones individuales ser tomando 566min e 8+min, otra tomando 566min e
8+max, la tercera tomando 566max e 8+min y la cuarta tomando 566min e 8+min 6continuacin se enlistan los pasos a seguir en la solucin>
a) 5ericar que 566C 5z, de no ser as el diseo no es factibleb) %alcular 8zmax e 8zmin de acuerdo a las ecuaciones ! y #c) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta
566mine 8+mind) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta
566mine 8+maxe) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta
566maxe 8+minf) %alcular 7min y 7max a part de las ecuaciones 0 y 2 tomando en cuenta
566maxe 8+maxg) &e busca el rango de valores 'interseccin( de las soluciones de c(, d(, e(
y f( para la solucin general y se elige un valor comercial de laresistencia limitadora de corriente en el rango de valores obtenidos'preferentemente lo ms cercano a su valor mximo(
h) &e calcula la disipacin de potencia requerida en la resistencialimitadora de corriente, a partir de la ecuacin !3
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+jem,lo-se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un
diodo zener de volts y 31 4 de potencia, a partir de una fuente de voltaje
que varia entre !3 y !#v para suministrar una corriente de 13m6 a una carga
que puede llegar a desconectarse, es decir 3 K 8+K 13m6
&olucin
a) 566< !#v y 5z
h) +a capacidad de disipacin de potencia requerida ser>@< '566maxF 5z(#D7
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