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ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN Y SU CURVA CARACTERÍSTICA Zeneras voltage regul ator and it s characteri stic curve
Ibañez Meza Eder . a, Molina Palacios Angélica. b, Villarreal Ortega José. c, Álvarez Navarro Juan C. d ab c
, , ,Estudiantes, d Docente
Recibido
; Aceptado; Publicado en línea.
Resumen En el laboratorio de electrónica de la Universidad del Atlántico se realizó un experimento cuyo objetivo principal fue identificar la curva característica del diodo Zener en directa, en inversa y conocer el comportamiento del diodo zener como regulador de tensión a partir de simulaciones en un software especializado en circuitos electrónicos y compararlos con los datos obtenidos en el laboratorio de electrónica. Conociendo el comportamiento de este tipo de diodos se procedió a ingresar valores en el software Proteus, el cual finalmente arrojo variedad de datos y la gráfica donde se observa la curva característica característica de los diodos Zener. v oltaje. Palabras claves: Diodo Zener, resistencia de carga, regulador de voltaje.
1.
Introducción
En los circuitos electrónicos se encuentra un gran número de tipos de diodos y de aplicaciones de los mismos, y una de ellas es mantener constante el valor de una tensión. Esta aplicación se llama estabilización de tensión, o regulación de tensión. Como reguladores de tensión se emplean unos tipos de diodos llamados Zener, el cuál es básicamente un diodo de unión, pero construido especialmente para trabajar en la zona de ruptura de la tensión de polarización inversa; por lo tanto, el proceso de disrupción es un poco distinto al efecto alud en los diodos rectificadores. El diodo Zener se puede utilizar para regular una fuente de voltaje, éste semiconductor se fabrica en base al voltaje de operación operación y la potencia potencia que puede disipar, disipar, a partir de estos valores se puede determinar la corriente máxima que puede soportar. El diodo Zener a diferencia de un diodo normal, conduce conectado en inversa después que se haya alcanzado cierto voltaje de barrera llamado voltaje Zener, luego de superada ésta barrera b arrera En los diodos Zener, a una pequeñísima variación de tensión corresponde una gran variación de corriente. En condiciones de trabajo normales, la tensión Zener varía de una manera leve. 2. Marco teórico
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Un diodo Zener es básicamente un diodo de unión, pero construido especialmente para trabajar en la zona de ruptura de la tensión de polarización inversa; por eso algunas veces se le conoce con el nombre de diodo de avalancha. La ruptura Zener ocurre cuando el campo eléctrico de la región de agotamiento aumenta al punto donde puede romper enlaces covalentes y generar pares electrón-hueco. Los electrones generados de esta forma serán barridos por el campo eléctrico e introducido en el lado n y los huecos en el lado p. Por lo tanto, estos electrones y huecos constituyen una corriente inversa en los terminales de la unión que ayuda a sostener la corriente externa I. Luego de que se inicia el efecto Zener, se puede generar un gran número de portadores, con un aumento despreciable en el voltaje de la unión. Así la corriente inversa de la región de ruptura está determinada por el circuito externo, mientras el voltaje inverso que aparece entre los terminales del diodo permanecerá cercano al voltaje nominal de ruptura. [1] [4]
Se coloca el diodo Zener en paralelo con el circuito a proteger, si el voltaje de fuente crece por encima de VZ el diodo conduce y no deja que el voltaje que llega al circuito sea mayor a VZ. No se debe usar cuando VF > VZ por largos periodos de tiempo pues en ese caso se daña el diodo. Se aplica acompañado de lámparas de neón o de descargadores de gas para proteger circuitos de descargas eléctricas por rayos. Fi gura. 1 Unión PN excitada con una corriente de unión inversa I. La unión se rompe y en los terminales de la unión se forma un voltaje Vz con la polaridad indicada. Tomada de [1].
CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO ZENER Analizando la curva del diodo zener se ve que conforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por el aumenta muy poco. Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante.
Fi gura 3. Circuito diodo Zener como elemento de protección. Tomada de [3].
Fi gura 4. Diodo Zener como circuito recortador.Tomada de [3].
Se usa con fuentes AC o para recortar señales variables que vienen de elementos de medición (sensores). Cuando VX tiende a hacerse mayor que VZ el diodo entra en conducción y mantiene el circuito con un voltaje igual a VZ. Fi gura 2.Curva característica del diodo Zener. Tomada de [2].
CONEXIÓN ANTIPARALELO Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa. Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente. [2]
DIODO ZENER PROTECCIÓN
COMO
ELEMENTO
DE
Se usa para recortar en dos niveles, uno positivo y el otro negativo (ver figura 5). Si el circuito tiene una resistencia equivalente RC la corriente en el diodo es:
consume el circuito (IC) cuando se le aplica VZ, y se calcula: [3]
3. Métodos experimentales Se realizó el montaje presentado en la figura 7, compuesto de una resistencia limitadora de 1.5KΩ y un
diodo Zener de 5V. Se varió el voltaje de la fuente DC en el orden de aproximadamente 0.1V y se tomaron los valores de tensión arrojados por el diodo y la resistencia. Para el segundo montaje se conectó una resistencia de carga de 180Ω y luego se cambió por las siguientes
resistencias de 560, 1200, 2200 y 3300 Ohmios, se midió el voltaje en el diodo y en la resistencia y se tomaron los datos para la curva característica. Fi gura 5 . Diodo Zener en conexión anti paralela.Tomada de [3].
DIODO ZENER VOLTAJE
COMO
REGULADOR
DE
4. Análisis de resultados y discusiones A continuación se muestran los resultados obtenidos para el primer montaje, en el mismo se analizó el comportamiento del voltaje al circular la corriente por el diodo Zener durante el desarrollo de la experiencia, usándose una resistencia de 1,5 kΩ y un diodo Zener con una tensión nominal de 5V; para el montaje en inversa del diodo se obtuvieron los siguientes resultados:
Diodo Z en inversa Fi gura 6. Zener como regulador de voltaje.Tomada de [3].
Se llama voltaje no regulado aquel que disminuye cuando el circuito conectado a él consume más corriente, esto ocurre en las fuentes DC construidas con solo el rectificador y el condensador de filtro, en los adaptadores AC-DC y en las baterías. Un voltaje regulado mantiene su valor constante aunque aumente o disminuya el consumo de corriente. Una de las muchas formas de regular un voltaje es con un diodo Zener. La condición de funcionamiento correcto es que VF en ningún momento sea menor a VZ. El voltaje regulado sobre el circuito es VZ.El cálculo del circuito consiste en conocer el valor adecuado de R, como dato se requiere el valor de VF, se selecciona una corriente para el Zener (IZ) menor que su corriente máxima, se calcula o mide la corriente que
Resistencia
No
D. Zener 0 0
0,892 0,844 2,883
0 0 0 0
3,82 4,76 5,79 6,79
0 0 0
7,76 8,73 9,72
11
0
10,78
12 13
0
11,61
0
12,62
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
14 15 16 17 18 19 20
0
13,58
0 0,246 1,068 2,147
14,54 15,41 15,43 15,47
2,95
15,49
4,01
15,54
Tabl a 1. Datos obtenidos de la medición de voltajes en diferentes puntos para el diodo en inversa.
Para los anteriores valores obtenidos con la ayuda del multímetro se muestra a continuación la representación gráfica del comportamiento del diodo en inversa para las condiciones utilizadas, por medio de EXCEL se obtuvo dicha gráfica con su respectiva línea de tendencia que la identifica exponencialmente.
Fi gura 9. Primer montaje, diodo en inversa. Realizada en PROTEUS 8.
20 ) v ( 15 e t n e u f 10 e j a t l o 5 V
0 0
y = 0,4845e0,6118x R² = 0,942
2
4
Voltaje diodo Zener (v)
6
Gr áfica 1. Representación de los datos de la tabla 1.
Recuerde que los valores obtenidos en esta experiencia todos tienen signo negativo porque en este caso el montaje está en inversa, de tal forma que la medición tiene sentido contrario a lo que se mide; Analizando el intervalo de confiabilidad obtenido anteriormente se nota que la fórmula que equivale a la línea de tendencia trazada por Excel tiene un aceptación favorable, recuerde que el comportamiento del diodo es basado en una expresión matemática exponencial en base Euler, de tal forma que se cumple con parte de la curva característica de este elemento. Así mismo, se realizó en PROTEUS el siguiente montaje, para determinar con la herramienta graphmodedicha curva para estas condiciones, se tiene, para la misma referencia del diodo:
Gr áfica 2. Simulación de la curva del diodo en in versa.
Considere entonces resultados muy próximos, ya que teniendo en cuenta la misma referencia del diodo utilizado y las mismas condiciones al poner una batería con voltaje variable se aprecia en el programa la variación esperada, llegando al voltaje umbral característico del diodo para esta posición. Luego se realizó lo mismo pero en un montaje con el diodo Zener en directa, del cual se obtuvieron los siguientes datos:
Diodo Z en directa 0,001
V. Zener 0,507
0,602 0,707 0,8 0,908
0,006 0,052
0,591 0,655
0,119 0,208
0,681 0,697
1,032 1,101 1,203
0,319 0,381 0,477
0,711 0,716 0,722
V. Fuente 0,51
V. Resistencia
1,256
2,012
0,752
Tabla 2. Datos obtenidos de la medición de voltajes en diferentes puntos para el diodo en directa.
De la misma forma se obtuvo la gráfica 3, donde de la misma manera, al tener un rango de confiabilidad considerablemente alto, la ecuación propuesta por la herramienta de línea de tendencia de Excel se aprecia la expresión como válida para modelar la situación, representación que se esperaba bajo el supuesto de la forma de la curva característica de este diodo. Gr áfica 4. Simulación de la curva del diodo en d irecta.
1,5 ) z V ( 1 r e n e Z 0,5 . V
y = 2E-10e29,768x R² = 0,9925
0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
V. Resistencia (Vr) Gr áfica 3. Representación de los datos de la tabla 2.
De la misma forma con el software PROTEUS 8 se logró simular esta situación, teniendo como resultado:
Con respecto a los resultados obtenidos en esta ocasión cabe resaltar que obviamente en la simulación se aprecia una curva mucho más definida debido a la cantidad de valores que puede realizar la gráfica, se aprecia nuevamente lo esperado pues el diodo Zener en directa actúa como un diodo común, siendo entonces de esta forma resultados aceptables para la intención de esta experiencia. Considere echar un vistazo a las figuras A-1 y A-2 en el anexo de este informe, donde se presenta una superposición de las gráficas 1 con 3 y 2 con 4 que muestran de forma completa la curva característica del diodo Zener utilizado. Continuando, se presentan los resultados obtenidos para el segundo montaje, el cual en la figura 11 se presenta el esquema utilizado para la regulación del diodo Zener.
Fi gura 11. Segundo montaje, diodo en inversa. Realizada en PROTEUS 8. Fi gura 10. Primer montaje, diodo en directa. Realizada en PROTEUS 8.
Como se ha mencionado, la idea es buscar para qué valor de resistencia el diodo Zener no regula, por esa razón se presentan las siguientes 5 corridas donde se muestra la inestabilidad del sistema:
5
4
3
2
1
R(Ω)
180
560
1200
2200
3300
Vz
2,3
4,5
4,8
4,89
4,91
Vlim Vc
12,7
10,2
9,9
9,92
9,91
2,1
4,5
4,8
4,89
4,9
Vf
14,8
14,8
14,7
14,7
14,8
Tabla 3. Datos obtenidos para el segundo montaje.
DondeVz es el voltaje en el diodo zener, Vlim es el voltaje en la resistencia limitadora, Vc voltaje en la resistencia de carga y Vf es la fuente de voltaje. Queda evidenciado que para valores de resistencias de carga entre 180 y 560 Ω el diodo Zener pierde estabilidad en el
sistema y no regula correctamente. El sistema nuevamente se simuló en PROTEUS 8 donde se obtienen resultados relativamente parecidos, (ver anexo) se presentan los siguientes resultados:
5
4
3
2
1
R(Ω)
180
560
1200
2200
3300
Vz
2,26
5,0
5,07
5,09
5,10
Vlim Vc
12,5
9,8
9,73
9,81
9,80
2,26
5,0
5,07
5,09
5,10
Vf
14,8
14,8
14,8
14,9
14,9
Tabla 3a. Datos obtenidos en la simulaciónpara el segundo montaje.
Considerando entonces la referencia PROTEUS los errores relativos porcentuales son:
Errores porcentuales (%) Vz Vlim Vc
1,7699
10
5,3254
3,9292
3,7254
1,6
4,0816
1,7471
1,1213
1,1224
7,0796
10
5,3254
3,9292
3,9215
Tabla 4. Errores porcentuales relativos a la medición
Notando entonces que dichos errores son relativamente bajos (excepto algunos que son del 10 %) se aprecia una buena medición con respecto al software, tenga en cuenta que esta referencia del programa se hizo bajo las características que tenga el diodo en dicho programa, puede que no sean las mismas en la realidad. Basándose en el desarrollo del laboratorio y a las preguntas formuladas en la guía de trabajo se hace énfasis en los siguientes apuntes:La tensión nominal del Zener depende en primera instancia de su disposición en el circuito (directa o inversa), a partir de ahí conocemos gracias a la teoría expuesta anteriormente, que este se comporta como un diodo regular en directa y como un
diodo que trabaja en la zona de ruptura ( breakdown) en inversa. Para identificar si el Diodo Zener se encuentra en conducción o en corto debemos considerar que,si el voltaje entre los dos terminales del diodo, es decir entre el ánodo y cátodo es cero voltios o muy próximo a cero el diodo Zener está en cortocircuito.Pero si el voltaje entre sus terminales es muy parecido al voltaje de las especificaciones tecnicas de fabricacion entonces está en la zona de conducción.Ahora, si el voltaje entre terminales esta por debajo o por encima de la zona de conducción que específica los datos tecnicos de fabricacion el diodo no está en conducción.Por ejemplo si el data sheet de un diodo Zener dice que es de 5.1 V a 1watio, Y en el circuito se mide entre sus terminales 0 Voltios este diodo esta en corto circuito y debe ser remplazado.Si el voltaje esta por ejemplo en 7 voltios no esta en aun en zona de conducion, lo mismo ocurrira si el voltaje entre sus terminales esta por encima por ejemplo a 12voltios tampoco estara en zona de conducción; Pero si el voltaje es de 5.1Voltios entre sus terminales o muy proximo a este valor el diodo zener entra en zona de conducion como regulador de voltaje y mantiene este valor de tension independiente de la carga.Todo lo anterior por supuesto, se basa en la suposición de que el anodoesta referenciado a tierra (masa 0 voltios) y el catodo a la tension nominal, es decir es una polarización inversa, pero lo mínimo que debe caer de tension entre las terminales de un diodo es el valor de la resistencia de su juntura es decir 0.6 germanio y 0.7 silicio.
5. Conclusiones Un diodo zener como regulador de tensión en un circuito electrónico es de gran utilidad, toda vez que la función de regulación de voltaje hacia una carga es casi constante con variaciones muy pequeñas en la tensión sin importar que tan alto aumenta la FEM. En primicia cabe resaltar la manera en la cual se llevó a cabo el experimento, ya que de forma sencilla y puntual se cumplieron los objetivos de esta experiencia, los cuales fueron trazar la curva característica del diodo Zener y estudiar el comportamiento del diodo Zener como regulador de tensión, todo de manera detallada, explicada y fundamentada en la teoría propuesta. Para el primer montaje, se estudió y se comprendió los efectos de la posición del diodo Zener (directa o inversa) sobre el circuito eléctrico realizado, dando una clara
visión de bajo qué circunstancias se puede utilizar una posición determinada; las gráficas simuladas y obtenidas por los datos recolectados son de gran ayuda para entender de forma más clara lo que sucede con el comportamiento de diodo Zener, esto acompañado con el las expresiones matemáticas que simulan el comportamiento en cada situación específica. Finalmente, resulta muy importante conocer el valor de voltaje entre los terminales para saber si el Zener actúa como cortocircuito o en conducción, además de tener en cuenta las características técnicas proporcionadas en la ficha técnica o data sheet del Diodo que se utilizó, como por ejemplo, valor nominal de corriente, potencia y el mencionado Voltaje.
6. Referencias [1]A. Sedra, K. C. Smith. Circuitos microelectrónicas. Cuarta edición. Publicación de la universidad de OXFORD. Diodos, capítulo 3. [2] ELECTRONICA UNICROM, Regulador de voltaje con diodo Zener .En línea, disponible en: http://www.unicrom.com/Tut_reg_con_zener.asp
[3] UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, Diodos zener y aplicaciones.En línea, disponible en: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001771 /html/cap03/03_06_01.html [4] Boylestad R., Nachelsky L. Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Octavaedición. Publicación de Pearson educativo. Diodos, capítulo 13.
