Fig. 1 Circuito típico de diodos Zener.
Actualizado, revisado en octubre de 2016. Se explorará el funcionamiento básico de los diodos Zener y su uso como reguladores de tensión. Se utilizarán junto con transistores bipolares comunes para aumentar la corriente de salida y pueden utilizarse para reguladores de voltaje del mundo real por estudiantes y aficionados. Lo siguiente es sólo para fines informativos y no tiene garantía.
Relación – Experimentos con el regulador Shunt TL431A un tipo de diodo Zener variable.
Video de YouTube: Tutorial sobre el diodo Zener.
Un diodo Zener es un dispositivo de estado sólido de dos terminales que cuando se polariza hacia delante conduce y actúa como cualquier otro diodo de silicio. Los diodos Zener se utilizan siempre en modo de polarización inversa y están diseñados para descomponerse a una tensión determinada. La Fig.1 ilustra una conexión básica de un diodo Zener.
Z1 y Rs están en serie mientras que una resistencia de carga de 200 Ohm RL está en paralelo con Z1. Nuestra corriente total (Is) fluye a través de Rs y se divide a través de Z1 (24mA) y RL (51mA). Z1 a 10,2 voltios mantiene una tensión constante a través de RL mientras Vin varía en un rango determinado. Si Vin cae a 14 voltios la corriente del zener Iz cae para mantener el voltaje en RL. Si Vin aumenta, por ejemplo, a 18 voltios, entonces la corriente zener Iz aumenta manteniendo la tensión a través de RL.
En todo momento la caída de tensión a través de Z1 más Rs siempre es igual a la tensión de alimentación Vin, mientras que la tensión a través de RL por lo tanto IL es constante. Si Rs es demasiado pequeño la corriente excesiva sobrecalentará Z1. Si Rs es demasiado grande entonces nos falta la corriente mínima Iz para mantener la regulación de la tensión. Observe lo siguiente:
Is = Iz + IL = 24mA + 51mA = 75mA;Rs = VRs / Is = 5.8V / 75mA = 77 Ohms.
La siguiente pregunta es, ¿cuánta corriente puede proporcionar este circuito a una carga? Veamos el problema.
Fig.2
En la Fig. 2 tenemos un circuito de regulación de diodos Zener que funciona correctamente a Z1 = 5,1 voltios con una alimentación de 10 voltios. Pero, ¿qué ocurre si aumentamos la carga de RL? Observe que para que funcione correctamente debemos mantener un valor mínimo de Iz.
Fig. 3
En la Fig. 3 bajamos RL de 200 Ohms a 150 Ohms aumentando IL. Mientras que la corriente total a través de Rs sigue siendo la misma, parte de la corriente para Z1 (Iz) va a RL y estamos al borde de la no regulación de voltaje.
Fig. 4
En la Fig. 4 RL es ahora 100 ohmios y ha tomado tanta corriente de Z1 que ya no tenemos ninguna regulación de voltaje. Esta configuración es casi inútil como una fuente de alimentación en sí mismo, excepto en las corrientes bajas. Por eso utilizamos transistores junto con diodos zener.
Fig. 5
Para evitar las limitaciones de potencia utilizamos un transistor de paso en serie. En la Fig. 5 un transistor NPN con una ganancia Hfe o DC de 100 en efecto «multiplica» 1mA del circuito de resistencia Zener a 100mA. La razón por la que he pasado a un zener de 5,6 voltios es para compensar la caída de 0,6V a través de la unión B-E de Q1. Sí, necesitas el condensador de 100uF para asegurar que el rizado de la fuente de alimentación no cause problemas. A medida que se extrae más corriente de la carga el 99% de la corriente se origina en Q1.
Fig. 6
En la Fig. 6 utilizamos dos transistores NPN en una configuración Darlington para aumentar la salida de corriente a 1 amperio a través de una carga de 12 Ohm. Tuve que pasar a un Zener de 13,2 voltios para compensar las caídas de tensión a través de las dos uniones B-E.
Fig. 7
En la Fig. 7 utilizamos un Darlington como un TIP120 para aumentar la salida de corriente a 1 amperio a través de una carga de 12 Ohm.
Fig. 8
En la Fig. 8 tenemos un regulador de diodo Zener para una fuente de alimentación de polaridad negativa. Se sustituyó el transistor NPN por un transistor PNP y se invirtió la polaridad del diodo Zener y del condensador de 100uF. También se invirtieron todos los flujos de corriente.
Eso completa esta introducción a la regulación de tensión basada en diodos zener.
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