Sin embargo, el diodo Zener o «diodo de ruptura», como se denomina a veces, es básicamente lo mismo que el diodo de unión PN estándar pero está especialmente diseñado para tener una tensión de ruptura inversa baja y especificada que aprovecha cualquier tensión inversa que se le aplique.
El diodo Zener se comporta como un diodo normal de uso general que consiste en una unión PN de silicio y cuando se polariza en la dirección de avance, es decir, ánodo positivo con respecto a su cátodo, se comporta como un diodo de señal normal que pasa la corriente nominal.
Sin embargo, a diferencia de un diodo convencional que bloquea cualquier flujo de corriente a través de sí mismo cuando está polarizado en sentido inverso, es decir, el cátodo se vuelve más positivo que el ánodo, tan pronto como la tensión inversa alcanza un valor predeterminado, el diodo zener comienza a conducir en sentido inverso.
Esto se debe a que cuando la tensión inversa aplicada a través del diodo zener supera la tensión nominal del dispositivo se produce un proceso llamado Avalanche Breakdown en la capa de agotamiento del semiconductor y una corriente comienza a fluir a través del diodo para limitar este aumento de tensión.
La corriente que ahora fluye a través del diodo zener aumenta drásticamente hasta el valor máximo del circuito (que suele estar limitado por una resistencia en serie) y una vez alcanzada, esta corriente de saturación inversa permanece bastante constante en un amplio rango de tensiones inversas. El punto de tensión en el que la tensión a través del diodo zener se estabiliza se denomina «tensión zener», ( Vz ) y en el caso de los diodos zener esta tensión puede oscilar entre menos de un voltio y unos cientos de voltios.
El punto en el que la tensión zener desencadena el flujo de corriente a través del diodo puede controlarse con gran precisión (con una tolerancia inferior al 1%) en la etapa de dopaje de la construcción del semiconductor de los diodos dando al diodo una tensión de ruptura zener específica, ( Vz ) por ejemplo, 4,3V o 7,5V. Esta tensión de ruptura zener en la curva I-V es casi una línea recta vertical.
Características I-V del Diodo Zener
El Diodo Zener se utiliza en su modo de «polarización inversa» o ruptura inversa, es decir, el ánodo del diodo se conecta a la alimentación negativa. A partir de la curva de características I-V anterior, podemos ver que el diodo zener tiene una región en sus características de polarización inversa de un voltaje negativo casi constante, independientemente del valor de la corriente que fluye a través del diodo.
Esta tensión se mantiene casi constante incluso con grandes cambios en la corriente, siempre que la corriente de los diodos zener se mantenga entre la corriente de ruptura IZ(min) y su valor nominal de corriente máxima IZ(max).
Esta capacidad del diodo zener para controlarse a sí mismo puede utilizarse con gran efecto para regular o estabilizar una fuente de tensión frente a las variaciones de alimentación o de carga. El hecho de que la tensión a través del diodo en la región de ruptura sea casi constante resulta ser una característica importante del diodo zener, ya que puede utilizarse en los tipos más sencillos de aplicaciones de regulación de tensión.
La función de un regulador de tensión es proporcionar una tensión de salida constante a una carga conectada en paralelo con él a pesar de las ondulaciones en la tensión de alimentación o las variaciones en la corriente de carga. Un diodo zener continuará regulando su tensión hasta que la corriente de retención de los diodos caiga por debajo del valor mínimo IZ(min) en la región de ruptura inversa.
El regulador de diodo zener
Los diodos zener pueden utilizarse para producir una salida de tensión estabilizada con bajo rizado en condiciones de corriente de carga variable. Haciendo pasar una pequeña corriente a través del diodo desde una fuente de tensión, a través de una resistencia limitadora de corriente adecuada (RS), el diodo zener conducirá la corriente suficiente para mantener una caída de tensión de Vout.
Recordamos de los tutoriales anteriores que la tensión de salida de CC de los rectificadores de media onda o de onda completa contiene ondulación superpuesta a la tensión de CC y que a medida que cambia el valor de la carga también lo hace la tensión media de salida. Conectando un simple circuito estabilizador zener como el que se muestra a continuación a través de la salida del rectificador, se puede producir una tensión de salida más estable.
Regulador de diodo zener
El resistor RS se conecta en serie con el diodo zener para limitar el flujo de corriente a través del diodo con la fuente de tensión VS conectada a través de la combinación. La tensión de salida estabilizada Vout se toma a través del diodo zener.
El diodo zener está conectado con su terminal de cátodo conectado al carril positivo de la alimentación de CC por lo que está sesgado inversamente y estará operando en su condición de ruptura. La resistencia RS se selecciona para limitar la corriente máxima que fluye en el circuito.
Sin carga conectada al circuito, la corriente de carga será cero, ( IL = 0 ), y toda la corriente del circuito pasa a través del diodo zener que a su vez disipa su máxima potencia. También un valor pequeño de la resistencia en serie RS dará lugar a una mayor corriente del diodo cuando la resistencia de carga RL esté conectada y sea grande, ya que esto aumentará el requisito de disipación de potencia del diodo, por lo que se debe tener cuidado al seleccionar el valor adecuado de la resistencia en serie para que no se supere la potencia máxima del zener en esta condición de ausencia de carga o de alta impedancia.
La carga está conectada en paralelo con el diodo zener, por lo que la tensión a través de RL es siempre la misma que la tensión del zener, ( VR = VZ ). Existe una corriente zener mínima para la cual la estabilización de la tensión es efectiva y la corriente zener debe permanecer por encima de este valor operando bajo carga dentro de su región de ruptura en todo momento. El límite superior de la corriente depende, por supuesto, de la potencia nominal del dispositivo. La tensión de alimentación VS debe ser mayor que VZ.
Un pequeño problema de los circuitos estabilizadores de diodos zener es que el diodo puede generar a veces ruido eléctrico en la parte superior de la alimentación de corriente continua al intentar estabilizar la tensión. Normalmente esto no es un problema para la mayoría de las aplicaciones, pero la adición de un condensador de desacoplamiento de gran valor a través de la salida del zener puede ser necesaria para dar una suavización adicional.
Entonces, para resumir un poco. Un diodo zener siempre funciona en su condición de polarización inversa. Como tal, se puede diseñar un circuito regulador de tensión simple utilizando un diodo zener para mantener una tensión de salida de CC constante a través de la carga a pesar de las variaciones en la tensión de entrada o los cambios en la corriente de carga.
El regulador de tensión zener consiste en una resistencia limitadora de corriente RS conectada en serie con la tensión de entrada VS con el diodo zener conectado en paralelo con la carga RL en esta condición de polarización inversa. La tensión de salida estabilizada se selecciona siempre para que sea la misma que la tensión de ruptura VZ del diodo.
Ejemplo de diodo zener nº1
Se requiere una fuente de alimentación estabilizada de 5,0V para producirla a partir de una fuente de alimentación de 12V CC de entrada. La potencia máxima PZ del diodo zener es de 2W. Utilizando el circuito regulador zener anterior calcular:
a). La corriente máxima que circula por el diodo zener.
b). El valor mínimo de la resistencia en serie, RS
c). La corriente de carga IL si se conecta una resistencia de carga de 1kΩ a través del diodo zener.
d). La corriente zener IZ a plena carga.
Tensiones de diodos zener
Además de producir una única salida de tensión estabilizada, los diodos zener también pueden conectarse en serie junto con diodos de señal de silicio normales para producir una variedad de valores de salida de tensión de referencia diferentes, como se muestra a continuación.
Diodos Zener conectados en serie
Los valores de los diodos Zener individuales se pueden elegir para adaptarse a la aplicación, mientras que el diodo de silicio siempre caerá alrededor de 0,6 – 0,7V en la condición de polarización hacia adelante. La tensión de alimentación, Vin, debe ser, por supuesto, mayor que la tensión de referencia de salida más grande y en nuestro ejemplo anterior es de 19v.
Un diodo zener típico para los circuitos electrónicos generales es la serie BZX55 de 500mW o la serie BZX85 de 1,3W más grande, donde la tensión zener se da como, por ejemplo, C7V5 para un diodo de 7.La serie de diodos zener de 500mW está disponible desde unos 2,4 hasta unos 100 voltios y suele tener la misma secuencia de valores que la serie de resistencias del 5% (E24).
Tensiones Zener estándar de diodos zener
Circuitos de recorte de diodos zener
Hasta ahora hemos visto cómo un diodo zener se puede utilizar para regular una fuente de CC constante, pero ¿qué pasa si la señal de entrada no era de CC de estado estable, sino una forma de onda de CA alterna, cómo reaccionaría el diodo zener a una señal que cambia constantemente?
Los circuitos de recorte y sujeción de diodos son circuitos que se utilizan para dar forma o modificar una forma de onda de CA de entrada (o cualquier sinusoide) produciendo una forma de onda de salida de forma diferente dependiendo de la disposición del circuito. Los circuitos de recorte de diodos también se denominan limitadores porque limitan o recortan la parte positiva (o negativa) de una señal de CA de entrada. Como los circuitos limitadores zener limitan o recortan parte de la forma de onda a través de ellos, se utilizan principalmente para la protección de circuitos o en circuitos de conformación de la forma de onda.
Por ejemplo, si quisiéramos recortar una forma de onda de salida a +7,5V, utilizaríamos un diodo zener de 7,5V. Si la forma de onda de salida intenta superar el límite de 7,5V, el diodo zener «recortará» el exceso de tensión de la entrada produciendo una forma de onda con una parte superior plana manteniendo la salida constante a +7,5V. Tenga en cuenta que en la condición de polarización hacia adelante un diodo zener sigue siendo un diodo y cuando la salida de la forma de onda de CA se vuelve negativa por debajo de -0,7V, el diodo zener se «enciende» como lo haría cualquier diodo de silicio normal y recorta la salida a -0,7V como se muestra a continuación.
Señal de onda cuadrada
Los diodos zener conectados espalda con espalda pueden ser utilizados como un regulador de CA produciendo lo que se llama en broma un «generador de onda cuadrada del hombre pobre». Usando esta disposición podemos recortar la forma de onda entre un valor positivo de +8,2V y un valor negativo de -8,2V para un diodo zener de 7,5V.
Así que, por ejemplo, si quisiéramos recortar una forma de onda de salida entre dos valores mínimos y máximos diferentes de, digamos, +8V y -6V, simplemente usaríamos dos diodos zener de diferente valor. Tenga en cuenta que la salida realmente recortará la forma de onda de CA entre +8,7V y -6,7V debido a la adición del voltaje del diodo de polarización hacia adelante.
En otras palabras, un voltaje de pico a pico de 15,4 voltios en lugar de los 14 voltios esperados, ya que la caída de voltios de polarización hacia adelante a través del diodo añade otros 0,7 voltios en cada dirección.
Este tipo de configuración de clipper es bastante común para proteger un circuito electrónico de la sobretensión. Los dos zener se colocan generalmente a través de los terminales de entrada de la fuente de alimentación y durante el funcionamiento normal, uno de los diodos zener está «apagado» y los diodos tienen poco o ningún efecto. Sin embargo, si la forma de onda de la tensión de entrada supera su límite, entonces los zener se ponen en «ON» y recortan la entrada para proteger el circuito.
En el siguiente tutorial sobre diodos, veremos cómo utilizar la unión PN polarizada hacia delante de un diodo para producir luz. Sabemos por los tutoriales anteriores que cuando los portadores de carga se mueven a través de la unión, los electrones se combinan con los huecos y se pierde energía en forma de calor, pero también parte de esta energía se disipa en forma de fotones pero no podemos verlos.