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Caracteristicas del diodo Zener y sus aplicaciones...

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ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE POLARIZACIÓN EN EL DIODO ZENER CON PROTEUS. Ferrer Pineda Eduardo E., Mengual García Arnold E., Noriega Barros Hernán E. Universidad del Atlántico Ciencias Básicas Física 20/10/2016

Resumen En este informe se trabajó con un montaje elaborado en la aplicación Proteus 8 Professional, la cual se utilizó como herramienta base para simular cada circuito propuesto en la guía de electrónica, también fue muy importante, ya que por medio de las simulaciones nos permitió tomar datos específicos de cada esquema. Para este caso en particular se tiene como objetivo estudiar las características del diodo zener en polarización inversa y polarización directa, implementar circuitos reguladores de voltaje mediante el empleo del diodo zener, identificar algunas combinaciones posibles para obtener diversos efectos en la regulación de señales y por supuesto adquirir destrezas en el diseño de fuentes reguladas y en el manejo de la aplicación implementada.

Palabras claves: Fuente reguladas, diodo zener , polarización directa e inversa.

Abstract In this report we worked with a montage produced in Proteus 8 Professional application, which was used as a basic tool to simulate each proposed in the guide electronic circuit, was also very important because through simulations allowed us to take data -specific scheme. For this particular case it aims to study the characteristics of zener diode in reverse bias and forward bias, deploy regulator circuits voltage by using the zener diode, identify some possible combinations to obtain different effects in regulating signals and of course acquire skills in the design of controlled sources and managing the deployed application. Keywords: regulated source zener diode, forward and reverse bias.

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1. Introducción El diodo Zener es un diodo de silicio fuertemente dopado que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas, recibe ese nombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener. El diodo Zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. Si a un diodo Zener se le aplica una tensión eléctrica positiva del ánodo respecto a una negativa en el cátodo (polarización directa) toma las características de un diodo rectificador básico (la mayoría de casos), pero si se le suministra tensión eléctrica positiva de cátodo a una negativa en el ánodo (polarización inversa), el diodo mantendrá una tensión constante. No actúa como rectificador sino como un estabilizador de tensión; el diodo Zener debe ser polarizado inversamente para que adopte su característica de regulador de tensión. Teniendo en cuenta toda esta información y todo lo evidenciado en las simulaciones se quiere estudiar las características del diodo zener en polarización directa e inversa, implementar circuitos reguladores de voltaje mediante el uso de dicho diodo, identificar algunas combinaciones posibles para obtener diversos efectos en la regulación de señales.

2. Discusión Teórica Diodo zener: son diodos especialmente diseñados para trabajar en la zona de ruptura, comportándose en polarización directa como diodos rectificadores y en polarización inversa como referencias de voltaje. Su principal aplicación es en circuitos reguladores de voltaje ofreciendo referencias de voltajes muy estables para ser usado en fuentes de alimentación, voltímetros y muchos más instrumentos.

Figura 1. Apariencia física común de los Diodos Zener, tomada de [1]-

La figura 2 muestra los símbolos utilizados en los esquemas electrónicos para representar un diodo Zener.

Figura 2. Símbolo del Diodo Zener, tomada de [2].

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Universidad del Atlántico El cátodo se identifica generalmente mediante una banda de color marcada alrededor del cuerpo del dispositivo. Los fabricantes entregan un numero de referencia, digamos 1N750 con el cual se puede buscar la hoja de especificaciones del dispositivo, los parámetros principales que se especifican para un diodo Zener son el voltaje de ruptura o Zener (Vz), la Corriente máxima soportada (Izmax) y la potencia máxima que pueden absorber en forma segura sin destruirse (Pz). Actualmente Variando el nivel de dopaje de los diodos de silicio, el fabricante puede producir diodos Zener con voltajes de ruptura que van desde 2 hasta 200 V. A continuación se hará el análisis de la representación gráfica del funcionamiento de un diodo Zener llamada curva característica V - I (voltaje vs corriente).

Figura 3. Curva característica del Diodo Zener, tomada de [1].

Dónde: El subíndice "F" (forward) representa las condiciones en polarización directa El subíndice "R" (reverse) las condiciones en polarización inversa. Vz = El voltaje Zener. En un diodo Zener polarizado inversamente la corriente inversa (I R) es prácticamente insignificante, hasta que el voltaje inverso (V R) alcanza un cierto valor Vz, llamado voltaje Zener o de referencia. Cuando se llega a este punto, el diodo entra en conducción, permitiendo la circulación de una corriente importante. A partir de entonces, la tensión entre sus terminales permanece prácticamente constante e igual a Vz para una amplia gama de valores de I R. Esta propiedad es la que permite utilizar los diodos Zener como reguladores de voltaje y/o referencias de tensión en un gran número de usos.

3

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CIRCUITO EQUIVALENTE DEL DIODO ZENER

Un diodo Zener ideal polarizado en inversa es representado como una fuente de corriente continua (CC) indicando el valor del voltaje Zener ( Vz) que posee el dispositivo. En la practica el diodo Zener no es ideal, polarizado en inversa y al conducir en la zona de ruptura tiene una impedancia (Zz) por esto el circuito equivalente aproximado tiene una resistencia en serie con la fuente CC.

Figura 4. (a) Diodo Zener Ideal (b) Diodo Zener en la práctica, tomada de [3].

La consecuencia de dicha impedancia se nota en la pequeña variación que existe del voltaje Zener (∆Vz) cuando cambia la corriente Zener (∆Iz). Dicha variación hace que la curva de funcionamiento real de un diodo Zener no sea una línea totalmente vertical.

Figura 5. Curva Real de un diodo Zener, tomada de [3].

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Universidad del Atlántico Izmin: Es la corriente mínima necesitada para que el diodo Zener entre en conducción polarizado en inversa. Izmax: Es la máxima corriente soportada por el diodo Zener antes de destruirse.



REGULADOR DE VOLTAJE CON DIODO ZENER

Un circuito regulador de voltaje mantiene constante el voltaje de salida contra variaciones en el voltaje de entrada y la resistencia de carga.

Figura 6. Circuito regulador de voltaje con diodo Zener, tomada de [3].

VIN provee el voltaje que se necesita estabilizar, este voltaje siempre debe ser superior al valor VZ del diodo Zener. A Vz lo encontramos en la hoja del fabricante. El diodo Zener esta polarizado en Inversa y se debe buscar que IZ sea superior a la corriente minina Izmin e inferior a la corriente máxima Izmax.

Izmín < IZ < Izmáx El valor de la Izmax lo entrega la hoja del fabricante y la Izmin se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

Izmín = Izmáx ∙ 0,15 Rs es la resistencia limitadora de corriente que se utiliza para no exponer al diodo Zener a corrientes superiores a la máxima soportada (Izmax) y así evitar la destrucción del mismo; Rs no puede tener un valor óhmico tan alto que evite que el diodo conduzca en inversa y no puede tener un valor tan bajo que el diodo reciba una corriente excesiva que lo destruya. Por esto el Valor de RS es un promedio de una resistencia máxima y una mínima:

RSmín < RS < RSmáx RS = (RSmín + RSmáx) / 2 5

Universidad del Atlántico Dónde:

RSmín = (VIN - Vz) / Izmáx RSmáx = (VIN - Vz) / (Izmín + IL) RL es la Resistencia de carga la cual está conectada en paralelo con el diodo Zener y es alimentada por el voltaje de salida regulado.

Vz = VL Encontramos Tres valores de corriente en el circuito: IS es la corriente en Rs que es la misma corriente total del circuito. IZ es la corriente Zener. IL es la corriente de carga. Por ley de Kirchhoff tenemos que:

IS = IZ + IL Iz = IS – IL Por ley de Ohm:

IS = (VIN - Vz) / RS IL = VL / RL Finalmente se calcula el valor de la potencia que absorbe el diodo Zener, dato que a la hora de comprar el dispositivo es de utilidad.

Pz = Vz Iz 

LIMTADOR DE VOLTAJE CON DIODO ZENER

Figura 7. Limitador Combinado Zener, tomado de [3].

6

Universidad del Atlántico El circuito de la figura es un limitador combinado el cual recorta picos de señal superiores al voltaje Zener de los diodos. Durante los semiciclos Positivos D2 limita a su valor de voltaje Zener y D1 esta polarizado en directa. Durante los semiciclos D1 limita a su valor de voltaje Zener y D2 esta polarizado en directa. La siguiente grafica es la arrojada por una simulación usando el diodo Zener 1N750.

Figura 8. Simulación

Como se aprecia la salida es una onda cuadrada, por esto este tipo de circuitos son aplicados en equipos generadores de señales para la conformación de ondas.

3. Métodos Experimentales Para la práctica que se realizó en la aplicación Proteus 8 Professional se usaron varios elementos que esta misma brinda, tales como: una fuente de voltaje AC, un voltímetro, un osciloscopio, resistencias y diodos. Con los cuales se elaboraron los montajes que se ilustran en las figuras 9,10,11 y 12, estos mismos nos permitieron hacer algunas mediciones y con algunas variaciones tomar algunos datos específicos.

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Figura 9. Diodos zener, implementado para observar el efecto de la polarización inversa.

Figura 10. Análisis de una señal variable en un circuito resistivo.

Figura 11. Implementación de un diodo como regulador de voltaje.

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Figura 12. Fuente DC construida a partir de un diodo rectificador y un diodo regulador y una fuente AC.

4. Análisis de Resultados y Discusión

Características de voltaje versus corriente en polarización inversa y en polarización directa del diodo zener: usando el circuito que se muestra en la figura 9, el cual nos ilustra un Diodo zener, implementado para observar el efecto de la polarización inversa. Tenemos una resistencia R1 = 500Ω, también está conectado un amperímetro de tal forma que pueda medir la corriente a través del diodo y registre los potenciales en los nodos de interés. Para ello se cierra el interruptor y se procede a medir la corriente en el diodo. La salida de la fuente se variaba para tener los voltajes indicados en la tabla 6.1 de la guía y para cada caso se registró la corriente del diodo y la resistencia. v1 (v)

I (mA)

RZ(k𝛀)

0

0

0,5

1

0

1,5

2

0

2,5

3

0

3,5

4

0

4,5

5

0

5,5

6

0.80

6,102

7

2.71

6,1433

8

4.67

6,1671

Tabla 1. Datos de la polarización inversa.

9

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corriente vs voltaje 5

4

3

2

1

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

7

8

9

-1

Grafico creado con los datos de la tabla 1.

resistencia vs voltaje 7 6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

Grafico creado con los datos de la tabla 1.

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Haciendo un ajuste en la fuente de tal manera que se obtengan los valores de corrientes indicados en la tabla 6.2 de la guía, se hizo un registro del voltaje V2. v2 (v)

I (mA)

RZ(k 𝛀)

6,63

2

6,1318

8,17

5

6,1706

15,76

15

6,2487

18,33

20

6,2812

18,33

25

6,3124

20,85

30

6,342

23,36

35

6,3708

25,89

40

6,3993

28,43

45

6,4274

30,95

50

6,4551

Tabla 2. Datos de la polarización inversa.

corriente vs voltaje 60 50 40 30 20 10 0 0

5

10

15

20

25

Grafico creado con los datos de la tabla 2.

11

30

35

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resistencia vs voltaje 6,5 6,45 6,4 6,35 6,3 6,25 6,2 6,15 6,1 0

5

10

15

20

25

30

35

Grafico creado con los datos de la tabla 2.

Para la tabla 3 se proceda a invertir la polaridad del diodo en el circuito y se mide la corriente para cada nivel de voltaje indicado en la tabla 6.3 de la guía. v2 (v)

I (mA)

RF(k 𝛀)

0

-0,56

0,2789

0,1

-0,38

0,2886

0,2

-0,19

0,2963

0,3

0,005

0,3026

0,4

0,18

0,3081

0,5

0,37

0,3129

0,6

0,57

0,3172

0,7

0,76

0,3211

0,8

0,95

0,3248

0,9

1,14

0,3282

Tabla 3. Datos de Polarización directa.

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corriente vs voltaje 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0,8

0,9

1

-0,4 -0,6 -0,8

Grafico creado con los datos de la tabla 3.

resistencia vs voltaje 0,34 0,33 0,32 0,31 0,3 0,29 0,28 0,27 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Grafico creado con los datos de la tabla 3.

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5. Conclusión El haber trabajado con la aplicación Proteus 8 profesional, no ha garantizado unos datos más precisos y con menos error, debido a que simulando cada caso en particular y realizando las medidas necesarias llegamos a comprender cada fenómeno en los esquemas. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante. 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. 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. Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su salida, sin importar las variaciones de voltaje en l a fuente de alimentación y/o las variaciones de corriente en la carga.

Referencias [1] http://unicrom.com/diodo-zener/ [2] http://www.areatecnologia.com/electronica/diodo-zener.html [3] http://www.uv.es/candid/docencia/ed_prac04.pdf [4] http://www.ifent.org/lecciones/zener/default.asp [5] http://www.educachip.com/usos-habituales-diodo-zener/

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