5. Estabilización del voltaje con el diodo Zener

La propiedad fundamental del diodo Zener es que, excedido el llamado

voltaje (inverso) de Zener, la corriente crece súbitamente, limitada sólo por

el circuito externo. Este efecto se aprovecha en los circuitos reguladores de

voltaje. Cuando el voltaje de entrada V1 tiende a aumentar, aumenta

inmediatamente la corriente que toma el diodo Z, de modo que también

aumenta la caída de voltaje en el resistor Rv y el voltaje V2 sobre el diodo

tiende a mantenerse constante.

Características de algunos diodos de Zener (Intermetall) (Plot = 250 mW):

Tipo Voltaje de

Zener Vz

Resistencia diferencial

rz para 5 mA

Resistencia Diferencial

rz para 20 mA

Corr. máx Iz a 25°C

Coef. de temp. de Vz para Iz= 5 mA

Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z10 Z12 Z15 Z18 Z22

3 ... 4 V 4 ... 5 V 5 ... 6 V 6 ... 7 V 7 ... 8 V 8 ... 9 V 9 ... 11 V 11 ... 13,5V 13,5 ... 16,5 V 16,5 ... 20 V 19,6 ... 24,5 V

75 Ω 65 Ω 35 Ω 4 Ω 3 Ω 4 Ω 7 Ω 14 Ω 25 Ω 40 Ω 55 Ω

16 Ω 12 Ω 6 Ω 0.5 Ω 0.6 Ω 0.8 Ω 1,6 Ω 3 Ω Para 12 Ω 10mA 20 Ω

75 mA 60 mA 50 mA 43 mA 37 mA 33 mA 27 mA 22 mA 18 mA 15 mA 9 mA

- 0.8 ... -0.4 %/10°C - 0.6 ... -0.2 %/10°C - 0.3 ... +0.4 %/10°C - 0.1 ... +0.6 %/10°C + 0.2 ... +0.7 %/10°C + 0.4 ... +0.7 %/10°C - 0.5 ... +0.8 %/10°C + 0.6 ... +0.9 %/10°C + 0.7 ... +0.9 %/10°C + 0.8 ... +0.95 %/10°C + 0.8 ... +1,0 %/10°C

Circuitos básicos

En este circuito deben considerarse las siguientes condiciones:

1. El voltaje de entrada mínima admisible V1mín es Igual a la suma del

voltaje de Zener Vz y la caída de voltaje (( I + Iz ) x Rv) en el resistor, de

acuerdo con la fórmula

)I(IRVV zmínmáxvz1mín ++=

2. El voltaje máximo de entrada V1máx depende de la capacidad de

disipación de potencia del diodo Z:

zmáxtot IVzP ×=

Por lo tanto,

)zmáxmínvz1máx I(IRVV ++=

Las variaciones de V1 tienen como origen las variaciones de voltaje que se

producen normalmente en la red urbana y en la caída de voltaje que se

produce en la resistencia interna del rectificador cuando varía la corriente

de carga. Se introducen para el proyecto las dos constantes

1

11

V

Vk

mín=

1

12

V

Vk

máx=

Como valores prácticos, cuando la variación de la voltaje de la red es de ±

10 %, se toman k1 = 0.8 y k2 = 1.1; para una red cuyo voltaje oscila entre

— 20 % y + 10 %, se eligen k1 = 0.7 y k2=1.1. Estos valores son adecuados

para fuentes de baja corriente. Cuanto mayor es la variación del voltaje de

entrada, tanto mayor es la potencia cuya disipación debe preverse en el

resistor Rv.

Cálculo

1. Elija el diodo de Zener. Por lo general se conocen el voltaje de salida V2

y los límites de variación de la corriente de carga Imín e Imáx. Para obtener

un buen efecto de regulación el diodo Z debe admitir una corriente máxima

Izmáx por lo menos de 2 a 3 veces mayor que Imáx. El diodo de Zener se

elige de acuerdo con estos datos. Debe tenerse presente que un circuito

regulador de este tipo sólo es adecuado en el caso de potencias muy bajas.

2. Valor mínimo del voltaje nominal de entrada V1

)I(Ik)I(Ik

)I(I)I(IVV

máxzmín2mínzmáx1

máxzmínmínzmáxz1

+×−+×

+−+×=

3. Resistencia reguladora Rv

máxmín z

z12v

II

VVkR

+

−×=

4. Control

máx

v

z11zmín I

R

VVkI −

−×=

Datos sobre los diodos de Zener;

El cátodo se marca con un punto o una banda de color. En los diodos de

Zener de mayor potencia, el cátodo está unido a la envolvente metálica.

Símbolo gráfico

Cátodo +

1 Tipos de construcción (diodos intermetal)

Diodos Z de bajo potencia

por ej., serie Z, Ptot=250 mW

Diodos Z de potencio medio por ej., serie ZD, Plot =1.1 W

por ej., serie ZL, Ptot=1.3 W sin disipador

Ptot =10 con disipador

Obtención de la característica

voltaje-corriente de un diodo Zener

Para mantener bajo el error de medición al principio de la característica, el

voltímetro debe conectarse antes que el miliamperímetro. Cuando la

corriente alcanza los 5 mA, ya es importante la caída de voltaje en el

miliamperímetro y el voltímetro debe cambiarse de lugar, conectándolo en

paralelo con el diodo Z. Si el diodo Z se conectara al revés, se obtendría la

característica habitual de un diodo de silicio con el voltaje de umbral de

alrededor de 0.7 V.

Otros ejemplos de aplicación del diodo Zener

a) Estabilizador de dos etapas:

Rv1 y Z1 actúan como preestabilizador para la etapa siguiente, formada por

Rv2 y Z2. Con este circuito se obtienen voltajes muy estables. El cálculo se

hace por pasos, comenzando por la segunda etapa. Se calcula el voltaje de

entrada (= Vz1) y Rv2 (k1 = 0.9 y k2 = 1.0). Luego se calculan los valores

para la primera etapa como en el caso del regulador simple. Finalmente,

conviene verificar la potencia disipada en cada diodo.

5) Circuito estabilizador en puente:

Con este circuito se consigue una estabilización muy efectiva cuando se

eligen las resistencias del puente de modo que se cumpla fa relación

3

21

R

R

r

R

z

=

El cálculo de R1 se hace corno en el circuito básico, valiendo como

condición lzmin para el cálculo de U1mín y la máxima corriente de Zener

lzmáx, para V1máx.

La relación R2 / R3 se calcula luego de modo de cumplir la igualdad

anterior. La resistencia interna para el voltaje estabilizado V2 es

aproximadamente igual a la suma R3 + rZ Por lo tanto conviene, desde

este punto de visto, usar los valores de resistencia más bajos que sean

posibles para formar el divisor de voltaje. El voltaje de salida es

3Z2 VVV −=

c) Estabilización de un voltaje alterno:

Mientras se desarrolla el semiciclo positivo del voltaje alterno V ~, el diodo

Z2 está polarizado en sentido directo y el diodo Z1 limita el voltaje de

salida. Durante el semiciclo negativo se invierten las funciones de los dos

diodos. La amplitud del voltaje durante cada semiciclo estás dado por el

voltaje del diodo activo más el voltaje umbral del otro (alrededor de 0,7

V).

La resistencia Rv debe calcularse de modo que en ningún caso se

sobrepase la corriente máxima Izmáx de cada diodo. Cuando la relación

entre la amplitud del voltaje alterno y los voltajes de Zener es muy grande,

este circuito se convierte en un útil generador de ondas rectangulares.

Diagrama de voltajes para VZ1=VZ2

Protección de instrumentos de medición contra sobre cargas

El voltaje V2 entre los terminales del voltímetro es proporcional al voltaje

medido mientras el voltaje parcial VX se mantenga por debajo de VZ. Un

ulterior aumento de V1 provoca la aparición de una corriente en el diodo de

Zener, de modo que V2 no puede ser mayor que VZ. De esta manera, el

instrumento queda completamente protegido. Si se invierte la polaridad del

voltaje de entrada, la limitación se establece para

VZ = 0.6 V

puesto que entonces el diodo de Zener funciona como un diodo común con

polarización directa.