INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA COMUNICACIONES Y ELECTRONICA UNIDAD ZACATENCO ZACATENCO PRACTICA “04” “DIODO ZENER” ING. REYES AQUINO JOSÉ DISPOSITIVOS 5CV9
Dioo Z!"!# O$%!&i'o() 1. Obtener y comparar las curvas características (V-I), d etres diodos Zener con diferentes voltajes de ruptura, en cada caso, medir el voltaje de umbral y el voltaje Zener. eterminar las resistencias estatocas y dinamicas de la re!i"n directa de conducci"n ()#n un punto $ y en la re!i"n de ruptura Zener (%#n el punto de operaci"n $&). '. Observar y reportar la svariaciones ue s epresentan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en el voltaje de ruptura de los tres diodos Zener, por el efecto del aumento en la tempoeratura ambiente. . Observar y reportar las variaciones ue presenta el voltaje Zener (Voltaje de salida del circuito), cuando se presentan variaciones del voltaje de entrada y de la corriente en la car!a (*+), en el circuito típico re!ulador de voltaje paralelo con Zener.
D!(*##o++o E,-!#i!"&*+. onceptos asicos iodo Zener. /n diodo Zener, es un diodo de de silicio ue se 0a contruido para ue funcione en las &onas de rupturas. +lamados a veces diodos d eavalanc0a o de ruptura, el diodo &ener es la parte esencial de los re!uladores de tensi"n casi constantes con independencia de ue se presenten !randes variaciones de la tensi"n d ered, d ela resistencia de car!a y de temperatura. #l diodo Zener se representa en los esuemas con el si!uiente símbolo
*esistencia Zener /n diodo Zener, como cualuier diodo, tiene una cirta resistencia interna en sus &onas y 23 al circular una corriente a trave& de este se produce una peue4a cida de tensi"n d ruptura.
#n otras palabras si un diodo Zener esta funcionando en la &ona &ener, un aumento enla corriente producir5 u li!ero aumento en la tensi"n. #l incremento es muy peue4o, !eneralmente de una decima de voltio. +os didos Zener mantienen la tensi"n entre sus terminales pr5cticamente constante, cuando est5n polari&ados inversamente, en un amplio ran!o de intensidades y temperaturas, por ello, este tipo de diodos se emplean en circuitos estabili&adores o re!uladores de la tensi"n tal como el mostrado en la 6!ura. #li!iendo la resistencia * y las características del diodo se pueden lo!rar ue la tensi"n en la car!a (*+) permane&can contante dentro del ran!o de variaci"n de la tensi"n de entrada Vs. * 7 I* Vs
V& IZ
*+ I+
-
ara ele!ir la resistencia limitadora * adecuada 0ay ue calcular primero cual puede se su valor m58imo y minimo, despu9s ele!iremos una resistenia * ue se adecue a nuestris c5lculos. Rmin=¿
V smax −Vz Il min + IL max
V smin −Vz Rmax = Il max + Izmin
onde -*min es el valor mínimo de la resistencia limitadora. -*ma8 es el valor m58imo de la resistencia limitadora. -Vsma8 es el valor m58imo de la tensi"n de entrada. -Vsmin es el valor mínimo de la tensi"n de entrada. -V& es la tensi"n Zener. -I+min es la mínima intensidad ue se puede circular por la car!a, en ocasiones si la car!a es desconectable, I+min suele tomar valor :. -Ilma8 es la m58ima intensidad ue soporta la car!a. -I&ma8 es la m58ima intensidad ue soporta el diodo Zener
-I&min es la mínima intensidad ue necesita el diodo &ener para mantenerse dentro de su &ona &ener o conducci"n en inversa. +a resistencia ue elijamos debe estar comprendida entre los dos resultados ue 0emos obtenido.
M*&!#i*+ Osciloscopio doble tra&o ;enerador de se4ales
cables caim5n-caiman de ?: cm. > cables banana-caiman de ?: cm. > cables banana-banana de ?: cm. @ cables coa8iales u ten!an en un e8tromo la terminaci"n bnc y en el otro caimanes /n rotoboard 1 iodo Zener con voltaje de ruptura de .% V a A Batt 1 iodo Zener con voltaje de ruptura de %.1 V a A Batt 1iodo &ener con voltaje de ruptura de ?.>V a A Batt 1 *esistor de 1C Ω a A Batt ' *esistores de : Ω a ' Batt 1 *esistor de 1:C Ω a A Batt 1 *esistor de ''C Ω a A Batt 1 *esistor de ?>: Ω a ' Batt 1 *esistor de '': Ω a ' Batt 1 *esistor de 1:: Ω a ' Batt 1 encendedor.
E,-!#i!"&o() 1. Obtener y comparar las curvas características (v-I), de tres diodos &ener de diferentes voltajes de ruptura, en cada caso medir el voltaje de umbral y el voltaje &ener. eterminar las resistencias est5ticas y din5micas e la re!i"n directa de conducci"n (en un punto de operaci"n $ ) y en la re!i"n de ruptura &ener (en punto de operaci"n $ Z). Drmar el circuito mostrado en la 6!ura 1, colocar el diodo de .%v y obtener la curva característica, medir y reportar en la tabla 1 el voltaje de umbral y el voltaje de ruptura del diodo, dibujar la curva característica ue se tiene en el osciloscopio (usando en su modo EF), mediante las !ra6cas reportadas posteriormente en casa determinar la resistencia est5tica y din5mica tanto en la re!i"n directa de conducci"n en un punto de
operaci"n $, asi como, en la re!i"n de ruptura en un punto de operaci"n $Z. *epetir estos pasos para el diodo de ?.>V y lue!o para el de %.1V 2ota ara cada diodo Zener antes de uitarlo reali&ar las mediciones indicadas en el punto .
=i!ura 1.aG ircuito propuesto para obtener la curva característica del diodo &ener
=i!ura 1.bGurva característica V-I de un diodo Zener =i!ura 1 iodo Zener
iodo 1(.%V) iodo ' (?.>V) iodo (%.1V)
Voltaje /mbral V /(v) :.@ :.K :.'
Voltaje de ruptura V Z (V)
Habla 1 Voltaje de umbral y voltaje de ruptura de tres diodos &ener medido a HHD y a HJHD
=i!ura '.a..;ra6ca del diodo 1 (V&.%V)
=i!ura '.b !r56ca del diodo ' (V& ?.>v)
=i!ura '.c !r56ca del diodo (V& %.1 v) . Observar y reportar las variaciones ue se presentan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en el voltaje de ruptura de los tres diodos &ener, por el efecto del aumento en la temperatura ambiente. /sando el mismo circuito de la 6!ura 1, observar y reportar en la tabla 1 la variaci"n ue presenta el voltaje de ruptura y el voltaje de umbral cuando aumenta la temperatura ambiente, para lo!rar este aumento, acercar un cerillo encendido o la punta caliente e de un cautín, al diodo bajo prueba por espacio no mayor a ? se!. *eali&ar esta medici"n para cada uno de los diodos en el orden marcado en el punto anterior. @. observar y reportar las variaciones ue presenta el voltaje &enner (voltaje de salida del circuito), cuando se presentan variaciones del voltaje de entrada y de la corriente en la car!a (*+), en el circuito típico re!ulador de voltaje paralelo con &enner.
@.1. Drmar el circuito mostrado en la 6!ura (re!ulador de voltaje paralelo con diodo &enner) y reportar las variaciones ue presenta el voltaje &enner y las variaciones de la corriente en la car!a, cuando se varía el voltaje en la entrada. Variar el voltaje de la fuente M#N desde : 0asta ': volts y reportar las mediciones de voltaje y corriente ue se indican en el circuito en la tabla '.
Vo+&*%! !" +* !"&#** : ' ? L 11 1@ 1K ':
Vo+&*%! !" !+ /!""!# V1 : :.%% '.@? .%@ ?.1% ?.@1 ?.@% ?.@K
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variaciones del voltaje &enner (voltaje a la salida del re!ulador) y de la corriente en la car!a (*+) para el diodo con ruptura de ?.>v cuando varia el voltaje @n la entrada del circuito re!ulador. @.'. Drmar el circuito de la 6!ura @, medir y reportar en la tabla las variaciones ue se ten!an para el voltaje de ruptura del dodo (voltaje a la salida del re!ulador) y para la corriente de car!a (*+) cuando se presentan variaciones en la resistencia de car!a.
*esistencia en la car!a Voltaje en el &ener (V) orriente en la car!a (mD) (Ω) ircuito abierto (resistencia in6nita) '' ?.?L >? 1: ?.?L 1 1 ?.>: :.1 :.?> ?.? ? :. ?.? 1% :.'' ?.?@ 'K :.1: @.> '? Habla variaciones del voltaje de ruptura del diodo &ener (voltaje a la salida) y de la corriente en la car!a (*+) en un circuito re!ulador de voltaje para diferentes resistencias de car!a.
C!(&io"*#io 1 /sando el diodo &enner %.1 V dibuje la curva característica ue se obtendría en el osciloscopio, si el voltaje pico de la se4al de entrada fuera de ?V. #8pliue por ue de la curva.
omo el voltaje de entrada es de ? V y el &ener trabaja a %.1 no 0abr5 ruptura y no entrara en la &ona de conducci"n, por lo tanto se comportara como ' e los tres diodos &enner ue utili&o en los e8perimentos Pcu5l de ellos presento coe6ciente de temperatura positivo, cual ne!ativo y cual apro8imadamente cero, e8pliue por u9Q ues el .% V tiene coe6ciente de temperatura ne!ativo por el voltaje peue4o ue maneja eso le 0ace al ponerle calor el coe6ciente de temperatura sea ne!ativo, el ?.> es el casi ue presenta coe6ciente de temperatura casi i!ual a cero y el %.1 es el ue maneja coe6ciente de temperatura positivo. P$u9 tipo de portadores !eneran la ruptura &ennerQ Pen u9 condiciones de impuri6caci"n se presente esta rupturaQ ebido a los portadores minoritarios y en las condiciones de alta contaminaci"n y al barrera es m5s an!osta, al ser de m5s an!osta es mayor la probabilidad de tuneleo (efecto tRnel).
@ Pu5l o cu5les de los tres diodos usados, presenta ruptura tipo &enner (tuneleo de la barrera de potencial)Q #8pliue +os tres diodos presentan ruptura tipo &ener ya ue menor de 1: volts trabaja con alta contaminaci"n y m5s de 1: trabajan con baja contaminaci"n.
? i!a P$u9 curva característica obtendría en el osciloscopio para el circuito de la 6!ura 1, en caso de ue se colocara en paralelo los tres diodos &ennerQ ibRjela y e8pliue
+a curva depende una ve& m5s del voltaje de entrada al circuito pero en este caso como el voltaje si es su6ciente para romper a cada diodo individualmente, debido a se encuentran en paralelo, los diodos si entran en conducci"n.
>.-ibuje la curva característica ue se obtendría en el osciloscopio, para el circuito de la 6!ura 1, en caso de ue colocara en serie los diodos Zener dibRjela y e8plíuela.
+a !r56ca depende de ue el voltaje de entada sea lo su6cientemente !rande para pasar el voltaje de ruptura &ener para los tres diodos al mismo tiempo y en este caso como el voltaje es de 1: volts no lo rompe.
K.-etermine la resistencia est5tica en la re!i"n directa de conducci"n para cada uno de los diodos &ener usados en el punto , considerando un punto de operaci"n con corriente de 'mD. eriodo de .%V (.%V)S('mD)1%?: eriodo de ?.>V (?.>V)S('mD)'L:: eriodo de %.1V(%.1V)S('mD)@??: L.-detremine la resistencia est5tica en la re!i"n directa de conducci"n, para cada uno de los diodos &ener usados en el punto , compare los c5lculos e indiue cu5l de ellos tiende a comportarse mejor como re!ulador de voltaje. #8pliue, (para un punto de operaci"n con corriente de 'mD) omo los diodos son de silicio el voltaje necesario para entr ar en conducci"n en la re!i"n directa es de :.KV por lo tanto la resistencia ser5 *(:.KV)('mD)?% O0ms or lo tanto es una resistencia peue4a la cual no se opondr5 a cambios bruscos de voltaje de entrada por lo tanto la mejor re!i"n para la re!ulaci"n es en la re!i"n de polari&aci"n inversa. %.-#n el circuito re!ulador de voltaje de la 6!ura , si el voltaje de la se4al de entrada es ':V, realice los c5lculos necesarios para determinar a corriente ue circula por el diodo &ener en una situaci"n, compare con el valor medido en la tabla . or t0evenin saemos ue la corriente en la resistencia limitadora *s es
Obteniendo la corriente y la corriente en la car!a podremos utili&ar la ley de irc00oT de corrientes para obt?ener las corrientes en los diodos. or lo tanto ara diodo de .%V l&>.%KmD ara diodo de ?.>Vl&'>.>KmD ara diodo de %.1V l&?.@>mD
1:.- ual sería la corriente ue circularía por el diodo &ener, para el mismo voltaje de ':V a la entrada, si la resistencia de car!a fuera circuito abierto. Uería la misma corriente en la resistencia limitadora, ue en este caso particular ser5 ara diodo de .%Vl&@L.KLmD ara el diodo de ?.>Vl& @.>mD ara el diodo de %.1Vl& .:mD 11.-etermine la potencia ue deber5 disipar el diodo &ener en la condici"n marcada en el punto anterior. ara diodo de .% V &(@L.KLmD)(.%V)1%:.'@m ara diodo de ?.> V &(@.>mD)(?.>V)'@@.'m ara diodo de %.1V &(.:mD)(%.1V)::.?Km 1'.-ara el circuito re!ulador de voltaje paralelo de la 6!ura @, determine el valor m5s peue4o de las resistencias de car!a, ue permite ue la re!ulaci"n se manten!a. etermine el m58imo valor de la corriente en la resistencia de car!a.
1@. ibuje la !ra6ca de resistencia de car!a contra voltaje de salida con los datos de la tabla .
1? ropon!a un circuito recortador de voltaje con diodo &enner, ue recorre la se4al ne!ativa en ?V y la positiva en :.K v
1>. ropon!a un circuito recortador de voltaje con diodo &enner, ue recorte la se4al ne!ativa y positiva en %.1v
1K. Dnote sus conclusiones
