eLab, Laboratorio Remoto de Electrónica ITESM, Depto. de Ingeniería Eléctrica
PRÁCTICA PD4 REGULACIÓN DE VOLTAJE CON DIODOS ZENER OBJETIVOS •
Analizar teóricamente y de forma experimental la aplicación de diodos Zener para la regulación de voltaje, y determinar las ventajas, desventajas y limites de operación de los diodos Zener en aplicaciones de regulación de voltaje
•
Aprender a utilizar las hojas de datos de diodos Zener, con el objetivo de seleccionar un diodo con características específicas, y que cumpla con las condiciones de diseño que demanda un circuito regulador de voltaje.
•
Realizar mediciones sobre circuitos reguladores de voltaje con el objetivo de explorar su funcionamiento y posteriormente comparar los resultados con los resultados obtenidos mediante el análisis teórico.
1.1 INTRODUCCIÓN El diodo Zener puede usarse en aplicaciones de regulación de voltaje, tal y como se ilustra en el circuito de la Figura 1. Esto es posible gracias a que su voltaje de ruptura es casi constante sobre un amplio intervalo de corrientes de polarización inversa. iL
Ri
+ + VS
iR
iZ
-
+ VZ -
VL
RL -
Figura 1 Circuito regulador de voltaje con diodo Zener. En la figura anterior se observa que la corriente de carga iL varia conforme cambia el valor de la resistencia de carga RL. Para que este circuito opere como regulador del voltaje VL, se requiere que el diseño del mismo contemple al diodo operando en su región zener. En este punto, el voltaje en las terminales del diodo se mantiene casi constante en un valor VZ. Aunque en la Figura 1 no sea visible, se considera que el valor de la fuente de voltaje también varía dentro del siguiente intervalo VS (min) < VS < VS (max) . El objetivo principal durante el diseño de este tipo de circuitos es el de seleccionar un valor adecuado de resistencia Ri que permita al diodo mantener un voltaje de salida casi constante, aun y cuando varíen, tanto el voltaje de entrada VS, como la resistencia de carga RL. Esta resistencia Ri limita la corriente a través del diodo Zener y recibe el voltaje excedente entre VS y VZ. Una vez seleccionado el valor de la resistencia Ri es importante considerar la potencia máxima que esta disipará cuando por ella circule la corriente máxima considerada en el diseño. Por otro lado, el diodo
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Zener que se seleccione, debe satisfacer el voltaje de regulación del diseño, y además debe soportar los cambios en las corrientes de polarización inversas que se presenten al variar la resistencia de carga o el voltaje de la fuente VS. Para ello, se debe considerar la potencia máxima que soportará el dispositivo semiconductor. Por lo tanto, se recomienda estudiar detenidamente las hojas de especificaciones que proporcionan los fabricantes del diodo Zener seleccionado para determinar los parámetros de funcionamiento más importantes y las limitaciones del dispositivo. Resistencia Zener En el circuito regulador Zener mostrado en la Figura 1 se considero al diodo Zener como ideal. Es decir, que éste mantiene un voltaje constante en la región de ruptura. En la practica, sin embargo, este voltaje VZ no es constante ya que es una función de la corriente que circula por el dispositivo. Por lo que, un modelo practico del diodo Zener, debe considerar su resistencia interna rZ, tal y como se ilustra en la Figura 2. En esta figura, el modelo del diodo Zener incluye un diodo Zener ideal con voltaje Zener nominal VZ nominal y una resistencia en serie rZ. iL
Ri iR + VS
+
+
+
VZ nominal
iZ
-
VZ
RL
VL
rZ
-
-
Figura 2 Circuito regulador de voltaje que considera la resistencia interna rZ del diodo Zener. Porcentaje de regulación Como se menciono anteriormente, a causa de la resistencia Zener, el voltaje de salida no permanecerá constante. Por lo que es posible determinar los valores mínimo y máximo del voltaje de salida. Un factor de mérito para un regulador de voltaje es el porcentaje de regulación que se define como: % Regulación =
VL (máx) − VL (mín) × 100 VL (nominal )
donde VL(máx) y VL(min) son los voltajes máximos y mínimos presentes en la carga cuando por el diodo Zener circula una corriente máxima (IZ(máx)) y mínima (IZ(min)) respectivamente; por otro lado, el termino VL(nominal) representa el valor nominal del voltaje de salida. Conforme este porcentaje se acerque a cero, el circuito se aproxima al de un regulador de voltaje ideal. Bibliografía Libro de Texto: -2-
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• Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 2) Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3rd Edition, 2007 Libros de Consulta: • Electronic Devices (Chapter 1) Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6th Edition, 2002 • Electronic Circuits; Analysis, Simulation, and Design (Chapter 3) Norbert R. Malik, Prentice Hall, 1995 • Electronic Devices and Circuits (Chapter 1 and 2) Robert T. Paynter, Prentice Hall, 7th Edition, 2006 1.2 ACTIVIDAD PREVIA Instrucciones Siga detalladamente las instrucciones para cada uno de los puntos que se presentan a continuación. Conteste y/o resuelva lo que se le pide en los espacios correspondientes para cada pregunta. Hágalo de manera ordenada y clara. En el reporte agregue en el espacio asignado gráficas comparativas, análisis de circuitos, simulaciones en computadora, ecuaciones, cálculos, etc., según sea el caso. No olvide colocar una portada con sus datos de identificación así como los datos relacionados con la práctica en cuestión, como número de práctica, titulo, fecha, etc. Desarrollo de la actividad previa I) Lea detenidamente el capitulo 2 de su libro de texto (Circuitos con diodos), y en los libros de consulta, el material relacionado con circuitos reguladores de voltaje con diodos Zener, y conteste lo siguiente: • Cuando un diodo Zener se utiliza como regulador de voltaje este debe tener una polarización: ____________________________________________________________________ • Explique la función principal del resistor Ri en el circuito de la Figura 1. _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ •
Tomando como referencia la hoja de especificaciones que proporcionan los fabricantes de diodos Zener. Mencione los parámetros de funcionamiento más importantes que deben ser considerados en la selección de un diodo Zener. Considere que dicho diodo se utilizará en el regulador de voltaje que se presenta en la Figura 1. Proporcione una justificación para cada parámetro que seleccione. _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________
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•
Explique las condiciones que permiten al diodo Zener, que se ilustra en la Figura 1, mantener un voltaje constante VZ en las terminales de la carga RL. Tome en cuenta que esta resistencia varía en un intervalo acotado por: RLmin < RL < RLmax. Considere también que el voltaje de entrada varía en el siguiente intervalo: VS (min) < VS < VS (max) . El valor de Ri permanece constante. _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________
•
Explique los siguientes conceptos (aplicados a circuitos reguladores de voltaje): a) Regulación de línea b) Regulación de carga. Explique además como se relacionan cada uno de estos conceptos con el porcentaje de regulación descrito en la introducción. a) Regulación de línea: _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ b) Regulación de carga: _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________
•
La corriente de un diodo Zener de 1 W y 10 V debe limitarse a un valor de: ____________________________________________________________________
II) Análisis del circuito regulador de voltaje con diodo Zener. Analice el circuito regulador de voltaje que se ilustra en la Figura 1. Para una operación apropiada del circuito tome en cuenta los siguientes intervalos de operación: Corriente en la carga: I L (min) < I L < I L (max) Corriente en el diodo Zener: I Z (min) < I Z < I Z (max) Voltaje de entrada al regulador: VS (min) < VS < VS (max) Durante el análisis tome en cuenta el efecto de la resistencia Zener en el circuito, rZ. Tomando en cuenta estas consideraciones determine (en función de los valores máximos y mínimos) lo siguiente: a) Una expresión para el cálculo de Ri. b) La corriente máxima de operación del diodo Zener. c) La corriente mínima de operación del diodo zener. d) Potencia máxima disipada por el diodo Zener e) Potencia máxima disipada por el resistor Ri. Coloque en el siguiente espacio los análisis respectivos.
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III) Detección de fallas en el circuito regulador de voltaje con diodo Zener. A continuación se presenta una situación en donde, durante el diseño de un regulador de voltaje como el mostrado en la Figura 1, se obtiene una corriente máxima para el diodo Zener (IZ(máx)) de valor negativo. Para este caso conteste lo siguiente: a) ¿Qué indica el signo negativo en el valor de IZ(max)? ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________ b) ¿Cuáles serían las causas probables de este resultado? ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________ c) Proporcione una solución a este problema. ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________ 1.3 PROCEDIMIENTO En esta sección se analizará el funcionamiento de un circuito regulador de voltaje que utiliza un diodo Zener. Con el fin de determinar el comportamiento del regulador de voltaje ante varias condiciones de operación del circuito. Se observará, por una parte, los efectos de las variaciones en la fuente de alimentación VS, sobre el voltaje de regulación VL en las terminales de la carga RL. Y por otro lado, los efectos de los cambios en la resistencia de carga RL sobre el voltaje que proporciona el diodo Zener. Este análisis se llevara a cabo realizando mediciones de voltaje y corriente en varios puntos de interés de los propios circuitos, para las condiciones mencionadas anteriormente, y a través de la interfase gráfica del Laboratorio Remoto de Electrónica (eLab). Al finalizar las mediciones correspondientes para cada uno de los circuitos, se determinará el porcentaje de regulación de línea o de carga, según corresponda; con esto será posible evaluar la eficiencia del regulador de voltaje en cuestión. I) Regulador de voltaje con diodo Zener: circuito 1 A continuación se presenta el procedimiento que servirá de guía durante el análisis del circuito regulador de voltaje con diodo Zener que se ilustra en la Figura 3. 1
+ VS
Ri=270 Ω
iL
2
3
+ iZ
iR
-
+ VZ -
RL
680 Ω
VL -
Gnd
Figura 3. Circuito 1: Regulador de voltaje con diodo Zener a plena carga.
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a) Efectos al variar el valor de voltaje de la fuente Vs. Para determinar el comportamiento del regulador de voltaje que se presenta en la Figura 3, varié el voltaje de la fuente de entrada VS en intervalos de 1 o 2 volts. Para cada incremento en el voltaje de la fuente VS, mida el voltaje en la carga RL (o en las terminales del diodo Zener) y el voltaje presente en el resistor Ri. Con estas mediciones calcule la corriente en el resistor Ri, la corriente en el diodo Zener y la corriente en la carga RL. Anote los resultados de estas mediciones y los cálculos de corrientes en la siguiente tabla. Voltaje de la fuente
VS 1.0 V 1.5 V 2.0 V 2.5 V 3.0 V 3.5 V 4.0 V 4.5 V 5.0 V 6.0 V 7.0 V 8.0 V 9.0 V 9.5 V
Voltaje en la carga RL
Voltaje en el resistor Ri
Corriente en el resistor Ri.
Corriente en el diodo Zener
Corriente en la carga RL.
VL=VZ
VRi
IR
IZ
IL
•
Observe el comportamiento del voltaje en el diodo Zener y proporcione una explicación para estos resultados. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________ b) Obtención de parámetros de la hoja de fabricantes de diodos Zener. Utilizando la hoja de especificaciones proporcionada por el fabricante del diodo Zener, anote enseguida, para el diodo Zener 1N4728 utilizado en el circuito de la Figura 3, los parámetros de interés que se indican en la siguiente tabla (anote estos datos en la columna que indica “dato del fabricante”). Posteriormente, y utilizando los resultados de las mediciones efectuadas en el inciso (a) del presente punto, determine los parámetros que se indican en esta misma tabla (anote estos resultados en la columna “resultado de las mediciones”). Parámetros
Dato del fabricante
Resultado de las mediciones
Voltaje Zener nominal
VZ(nominal) =
VZ =
Disipación total de potencia
PZ =
PZ =
Corriente Zener máxima
IZM =
IZmax =
Corriente Zener de codo o corriente Zener mínima
IZK =
IZmin =
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•
¿La corriente mínima y máxima del diodo Zener en el circuito esta dentro de los rangos de corriente especificados por el fabricante? Justifique su respuesta ___________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ c) Indique el valor de Vs a partir del cual el diodo Zener comienza a operar como regulador de voltaje. Anote este valor en la siguiente tabla e indique también (para este mismo voltaje VS) el voltaje que presenta el diodo Zener en sus terminales. Voltaje Vs requerido para que el diodo opere V = S como regulador de voltaje
Voltaje en las terminales del diodo Zener
VZ=
• Explique la relación que existe entre estos voltajes y la corriente de codo (IZK) en el diodo Zener. ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________ •
¿Que sucede con el voltaje en la carga (VL) cuando el voltaje VS se encuentra por debajo del valor obtenido en el inciso anterior? Justifique su respuesta. ___________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________ d) Potencia en el resistor Ri. A partir de los datos medidos en el inciso (a) del presente punto calcule la potencia máxima disipada por el resistor Ri. Potencia máxima en el resistor Ri
PRi=
f) Porcentaje de regulación de línea. En base a las mediciones obtenidas en el inciso (a) del presente punto calcule el porcentaje de regulación de línea. Considere que VL(max) corresponde al valor máximo de voltaje regulado obtenido durante las mediciones y VL(min) es el voltaje regulado mínimo que puede proporcionar el diodo Zener (obtenido en el inciso (d) del presente punto). % Porcentaje de regulación de línea
% RL=
II) Regulador de voltaje sin carga (en vacío): circuito 2 En esta parte del procedimiento se analiza el circuito regulador de voltaje de la sección anterior (ver Figura 3) pero ahora sin carga, es decir RL= ∞ (en vacío). Este circuito se ilustra en la Figura 4 1
+ VS
Ri=270 Ω
2
+
iZ
iR
VZ
-
RL = ∞
Gnd
Figura 4. Circuito 2: Regulador de voltaje con diodo Zener y resistencia de carga infinita (en vacío)
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a) Efectos al variar el valor de voltaje de la fuente Vs. Para determinar el comportamiento del regulador de voltaje que se presenta en la Figura 4, varié el voltaje de la fuente de entrada VS. Para cada incremento en el voltaje de la fuente VS, mida el voltaje en las terminales del diodo Zener y en el resistor Ri. Con estas mediciones calcule la corriente en el diodo Zener. Anote los resultados de estas mediciones y los cálculos de corrientes en la siguiente. Voltaje de la fuente
Voltaje en el diodo Zener
Voltaje en el resistor Ri
Corriente en el diodo Zener
VS
VZ
VRi
IR=IZ
1.0 V 1.5 V 2.0 V 2.5 V 3.0 V 3.5 V 4.0 V 4.5 V 5.0 V 6.0 V 7.0 V 8.0 V 9.0 V 9.5 V •
Proporcione una explicación para el comportamiento del voltaje en el diodo Zener y en el resistor Ri. ________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________
•
Indique el voltaje mínimo que debe proporcionar la fuente VS de tal forma que el diodo Zener se comporte como regulador de voltaje. ________________________________________________________________________
•
¿Que sucede con el diodo zener cuando el voltaje VS se encuentra por debajo del valor indicado en la pregunta anterior? ________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________
b) Porcentaje de regulación de línea. En base a las mediciones obtenidas en el inciso (a) del presente punto calcule el porcentaje de regulación de línea. Considere que VL(max) corresponde al valor máximo del voltaje regulado obtenido durante las mediciones y VL(min) es el voltaje regulado mínimo que puede proporcionar el diodo Zener. % Porcentaje de regulación de línea
% RL=
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III) Regulador de voltaje con carga máxima (resistencia mínima): circuito 3 En esta parte del procedimiento se analiza el comportamiento del circuito regulador de voltaje de la sección I (Ver Figura 3) pero ahora con una carga de valor mínimo, este circuito se ilustra en la Figura 5. 1
+ VS
Ri=270 Ω
iL
2
3
+ iR
iZ
-
+ VZ -
RL
177.85 180Ω Ω
VL -
Gnd
Figura 5. Circuito 3: Regulador de voltaje con diodo Zener y resistencia de carga mínima a) Efectos al variar el valor de voltaje de la fuente Vs. Para determinar el comportamiento del regulador de voltaje que se presenta en la Figura 5, varié el voltaje de la fuente de entrada VS. Para cada incremento en el voltaje de la fuente VS, mida el voltaje en la carga RL y el voltaje presente en el resistor Ri. Con estas mediciones calcule la corriente en el resistor Ri, la corriente en el diodo Zener y la corriente en la carga RL. Anote los resultados de estas mediciones y los cálculos de corrientes en la siguiente tabla. Voltaje de la fuente
VS 1.0 V 1.5 V 2.0 V 2.5 V 3.0 V 3.5 V 4.0 V 4.5 V 5.0 V 6.0 V 7.0 V 8.0 V 9.0 V 9.5 V •
Voltaje en la carga RL
Voltaje en el resistor Ri
Corriente en el resistor Ri.
Corriente en el diodo Zener
Corriente en la carga RL.
VL=VZ
VRi
IR
IZ
IL
Observe el comportamiento del voltaje en el diodo Zener y compárelo con el comportamiento que tuvo dicho diodo en el circuito regulador analizado en el punto I del procedimiento (ver Figura 3). ¿Que diferencias observa? Describa el resultado de sus observaciones en las siguientes líneas. ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________
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•
Explique el comportamiento del regulador de voltaje a medida que la resistencia de carga (RL) disminuye. ¿Que sucede con el voltaje en el resistor Ri? ¿Que sucede con la corriente en el diodo Zener? ¿Que sucede con la corriente en la carga RL? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________
b) Indique el valor de Vs a partir del cual el diodo Zener comienza a operar como regulador de voltaje. Anote este valor en la siguiente tabla e indique también (para este mismo voltaje VS) el voltaje que presenta el diodo Zener en sus terminales. Voltaje Vs requerido para que el diodo opere V = S como regulador de voltaje Voltaje en las terminales del diodo Zener
VZ=
c) Potencia en el resistor Ri. A partir de los datos medidos en el inciso (a) del presente punto calcule la potencia máxima disipada por el resistor Ri. Potencia máxima en el resistor Ri
PRi=
d) Porcentaje de regulación de línea. En base a las mediciones obtenidas en el inciso (a) del presente punto calcule el porcentaje de regulación de línea. Considere que VL(max) corresponde al valor máximo de voltaje regulado obtenido durante las mediciones y VL(min) es el voltaje regulado mínimo que puede proporcionar el diodo Zener (obtenido en el inciso (b) del presente punto). % Porcentaje de regulación de línea
% RL=
1.4 ACTIVIDADES Y CONCLUSIONES FINALES 1) A partir de las mediciones realizadas en los incisos (a) del punto I del procedimiento, grafique la curva característica del diodo Zener, indique el voltaje de ruptura Zener VZ, la corriente de codo IZK, y la corriente máxima IZM. Para realizar la grafica, proporcione los datos obtenidos a un programa por computadora, por ejemplo: Excel, Matlab, etc. Anexe la grafica en el siguiente recuadro.
2) Analice el circuito de la Figura 3 bajo las siguientes condiciones: el voltaje de entrada varía en el siguiente intervalo 5 V≤ VS ≤ 10 V, el diodo Zener corresponde al utilizado en el punto I del procedimiento, considere el mismo valor de Ri y de RL, que se muestran en la misma figura. Para las condiciones anteriores determine: a) La corriente mínima y máxima que circula por el diodo Zener b) La corriente mínima y máxima en el resistor Ri c) Determine el voltaje mínimo y máximo en la carga - 10 -
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RL, para ello tome en cuenta la resistencia Zener rZ, la cual puede obtenerla a partir de la hoja de especificaciones que proporciona el fabricante del diodo Zener. d) Determine la potencia máxima disipada por el diodo Zener y por el resistor Ri. e) Determine el porcentaje de regulación de línea Coloque los cálculos en el siguiente recuadro.
3) Compare los resultados analíticos obtenidos en el problema anterior con los resultados obtenidos a partir de las mediciones realizadas en el punto I del procedimiento para las mismas condiciones del voltaje de entrada (5 V≤ VS ≤ 10 V). Complete la siguiente tabla. Resultado analítico para 12V≤VS≤23V Corriente mínima en el diodo Zener IZ(min)= Corriente máxima en el diodo Zener IZ(max)= Corriente mínima en el resistor Ri IRi(min)= Corriente máxima en el resistor Ri IRi(max)= Voltaje mínimo en RL VL(min)= Voltaje máximo en RL VL(max)= Potencia máxima en el diodo Zener PZ(max)= Potencia máxima en la resistencia Ri PRi(max)= Porcentaje de regulación de línea %RL=
Resultado de la medición para 12V≤VS≤23V IZ(min)= IZ(max)= IRi(min)= IRi(max)= VL(min)= VL(max)= PZ(max)= PRi(max)= %RL=
• Escriba sus conclusiones en relación a los resultados mostrados en la tabla anterior. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________ 4) A partir de las mediciones realizadas en los puntos I y II del procedimiento calcule el porcentaje de regulación de carga para cada uno de los valores de la fuente VS definidos en la siguiente tabla. Voltaje de la Fuente VS
Voltaje en la carga para RL= ∞
Voltaje en la carga para RL= 680 Ω
5.0 V 6.0 V 7.0 V 8.0 V 9.0 V 10.0 V
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Porcentaje de Regulación de carga | VZ ( RL =∞ ) − VZ ( RL =680 Ω ) | %RegC = × 100% VZ ( RL =680 Ω )
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•
¿Que sucede con el porcentaje de regulación de carga a medida que se incrementa el voltaje de la fuente VS? Justifique su respuesta. ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________ 5) A partir de las mediciones realizadas. Indique, para los tres tipos de circuitos, el rango de voltaje en el que debe encontrarse la fuente VS, de tal forma, que permita al diodo Zener operar como regulador de voltaje. Coloque estos valores en la siguiente tabla para cada uno de los circuitos analizados. Tipo de circuito
Intervalo de la fuente VS que permite al diodo Zener operar como regulador de voltaje. VS (min) ≤ VS ≤ VS (max)
Circuito 1: Regulador Zener con RL=680Ω Circuito 2: Regulador Zener con RL=∞ Circuito 3: Regulador Zener con RL=180Ω • Compare los resultados que arroja la tabla anterior y coméntelos en las siguientes líneas. ___________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 6) Anote enseguida sus conclusiones generales de la presente práctica: ___________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________ __________________________________________________________
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