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Informe de laboratorio de las características del Diodo Zener
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CARACTERISTICAS DEL DIODO ZENERING. ANTONIO DIONISIO CORREA COLLANTE
ELECTRONICA IUNIVERSIDAD DEL MAGDALENA
UNIVERSIDAD DEL MAGDALENALABORATORIO DE ELECTRONICA I
CARACTERISTICAS DEL DIODO ZENER
FUENTES VANSTRALEN MIGUEL ANGEL (2011119025)[email protected]
GRANADOS MONROY RAFAEL ANDRES (2011119029)[email protected]
BARON HUELVAS DIEGO ARMANDO (2013119003)[email protected]
Electronica I – Grupo 2 – Ingeniería ElectrónicaUniversidad del Magdalena
2015
RESUMEN
En el presente informe se evalúan las características y el funcionamiento del diodo zener. Este tipo de diodo es especial, debido a que siempre se utiliza con una polarización inversa. Se debe recordar que los diodos comunes conducen siempre en el sentido de la flecha (de ánodo a cátodo). En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener es polarizado directamente su comportamiento será como el de un diodo rectificador común. Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante.
INTRODUCCIÓN
El diodo Zener es similar al diodo de unión PN; su característica recae en que posee también una zona directa, otra inversa, y otra de ruptura. La diferencia principal se encuentra en que, en el diodo zener la ruptura se obtiene en valores pequeños de la tensión inversa, en el rango de voltios. Además de que los diodos zener se diseñan para que la ruptura se alcance a tensiones pre-especificadas, desde 1.8 V hasta 200V.
El diodo zener posee un funcionamiento basado en el efecto zener, de ahí la razón de su nombre. Se debe tener en cuenta que el diodo en polarización inversa, en el momento en que este alcanza esta zona, le corresponden pequeños aumentos de tensión que son proporcionales a grandes aumentos de corriente. Este tipo de diodo es capaz de trabajar en esta región cuando las condiciones de polarización lo definan ,y así, una vez hayan desaparecido éstas, el diodo zener recupera sus propiedades como diodo normal, evitando gracias a este fenómeno su destrucción, a menos que se alcance la corriente máxima de zener Imax indicada por su diseñador.
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Lógicamente las características geométricas de construcción del diodo zener son un tanto diferente al resto de los diodos, radicando su principal diferencia en la consunción de la zona de unión entre los materiales tipo P y tipo N, así como lo es la densidad de dopado de los cristales básicos.
Sus parámetros principales son:
Vz Tensión nominal de zener. Polarización inversa en la que su funcionamiento es efectivo.
VZmin Mínima corriente inversa que ha de atravesar el diodo para obtener un funcionamiento eficaz, también es llamada corriente de mantenimiento.
VZmax Máxima corriente inversa que lo puede atravesar sin preocuparse de una destrucción.
Pz Potencia de disipación nominal del componente que debe ser sobrepasada.
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Fig. 1 CARACTERISTICAS DE UN DIODO ZENER
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COMPORTAMIENTO DEL ZENER
Cuando el diodo esta polarizado inversamente, circula por él una pequeña corriente, esta corriente es conocida como corriente de saturación IS, la cual permanece indeterminadamente constante mientras se aumenta la tensión inversa hasta cuando el valor de ésta alcanza VZ, llamada tensión Zener (no se debe confundir con la tensión de ruptura zener), en la cual el diodo entra en la región de colapso, dando como resultado que la corriente empiece a incrementarse rápidamente por el efecto avalancha.
En esta región, existen pequeños cambios de tensión que producen grandes cambios de corriente. El diodo zener tiene como función mantener la tensión relativamente constante entre sus terminales para un amplio rango de corriente inversa. Evidentemente, existe un cambio drástico de la resistencia efectiva de la unión PN.
DIODO ZENER Y SUS APLICACIONES
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FIG. 2 CARACTERISTICAS I-V DE UN DIODO ZENER EN POLARIZACION (a) DIRECTA E (b) INVERSA
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1. DIODO ZENER COMO ELEMENTO DE PROTECCIÓN
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.
2. DIODO ZENER COMO CIRCUITO RECORTADOR
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.
3. CONEXIÓN ANTIPARALELO
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Se usa para recortar en dos niveles, uno positivo y el otro negativo.
Si el circuito tiene una resistencia equivalente RC la corriente en el diodo es:
4. DIODO ZENER COMO REGULADOR DE VOLTAJE
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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 consume el circuito (IC) cuando se le aplica VZ, y se calcula:
5. REFERENCIA DE VOLTAJE
Los diodos Zener son construidos de manera que VZ es muy exacto y se mantiene constante para diferentes valores de IZ, esto permite que un Zener se use en electrónica como referencia de voltaje para diferentes aplicaciones.
METODO EXPERIMENTAL
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Características voltaje-corriente: Polarización inversa
1. Arme el circuito de la figura 3 El interruptor S está abierto. VAA es una fuente de alimentación regulada, calibrada a 0V. M es multímetro de 20000 Ω/V calibrado en el rango de la corriente más baja.
2. Cierre S. Mida la corriente del diodo I, si la hay, con un VAA calibrado a 0V. Anote los resultados en la tabla 2.
3. Ajuste la salida de VAA de manera que el voltaje VAB medido en el diodo sea de 2.V. Mida la corriente del diodo. Anote los resultados en la tabla 2.
4. Repita el paso 3 por cada valor que VAB que aparezca en la tabla 2. Cambie el intervalo de M según se requiera. Calcule la resistencia Rz del diodo (Rz = VAB/I) y anote los resultados obtenidos en la tabla 2.
5. Ajuste el valor de VAA de manera que la corriente del diodo I sea de 2mA. Mida el voltaje VAB del diodo y anótelo en la tabla 2. Calcule RZ y anote su valor en la tabla 2.
6. Repita el paso 5 para todos los valores de corriente y anote los valores respectivos VAB y RZ en la tabla 2.
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FIGURA 3. CIRCUITO PARA PRUEBAS EXPERIMENTO 2
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Características voltaje-corriente: Polarización directa
7. Abra S interrumpiendo la alimentación al circuito. Ponga la salida de la fuente de alimentación en 0V. Invierta la posición del diodo en el circuito.
8. Cierre S. Mida y anote en la tabla 2.1 la corriente directa del diodo para cada nivel de voltaje VAB en la tabla. Calcule la resistencia RF = VAB/ I k. Anote los resultados en la tabla 2.1
9. Con base en los resultados de las tablas 2 y 2.1, trace las gráficas de:
a) La corriente del diodo (Eje vertical) en función del voltaje del diodo
b) Dibuje la gráfica de la resistencia del diodo en función del voltaje, tanto para la configuración de polarización inversa como la de la polarización directa.
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El diodo Zener como regulador de voltaje
10.Arme el circuito de la figura 4. El interruptor S está abierto. La salida de la fuente de alimentación VAA es igual a 0V. M es el miliamperímetro calibrado para el intervalo de 100mA.
11. Cierre S. Aumente poco a poco el voltaje de alimentación VAA hasta que la corriente IZ del diodo dé una lectura de 20 mA. Mida el voltaje de alimentación VAA y el voltaje VAB en la carga. Anote los resultados en la tabla 2.2. Mida la corriente total IT. Anote los resultados en la tabla 2.2
12.Calcule el intervalo de variación de VAB en el cual VAB es constante dentro de ± 0.1 V de su valor en el paso 10. Mida la variación de IZ e IT dentro de este intervalo; anote los resultados en la tabla 2.2
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FIG. 4 CIRCUITO #2 PARA PRUEBAS EXPERIMENTO 2
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Preguntas
1. Compare la polarización de un diodo de unión (experimento 1) con la de un diodo Zener en una aplicación normal.
2. Compare la característica de voltaje-corriente de la gráfica del diodo Zener del paso 9a) de este experimento con la de la siguiente figura.
3. ¿Qué parte de las características de un diodo Zener es la más útil en las aplicaciones de regulación de voltaje? ¿Por qué?
4. Con base en la tabla 2.2 explique cómo funciona este circuito regulador.
5. ¿El circuito regulador de la figura 4 permite compensar los cambios en el voltaje de entrada, VAA, así como los de la corriente de carga IL? Explique
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RESULTADOS Y DISCUSION
CARACTERÍSTICAS VOLTAJE-CORRIENTE: POLARIZACIÓN INVERSA
CARACTERÍSTICAS VOLTAJE-CORRIENTE: POLARIZACIÓN DIRECTA
Paso 8
VAB 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
I mA 0 0 0 0 0 0 0.01 0.35RF 0 Ω 0 Ω 0 Ω 0 Ω 0 Ω 0 Ω 6 Ω 2 Ω
9a)
9b)
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1 2 3 4 5 60
2
4
6
8
10
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Gráfica I - V
I mAVak
I mA
Paso VAB I mA RZ Paso VAB I mA RZ
2 0.0 0 0 6 10.22 5 2044 Ω3 2.0 0 0 6 10.32 10 1032 Ω4 6.0 0 0 6 10.54 20 527 Ω4 7.0 0 0 6 10.74 30 358 Ω4 8.0 0 0 6 11 40 275 Ω5 10.06 2.0 5030Ω 6 11.20 50 224 Ω
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EL DIODO ZENER COMO REGULADOR DE VOLTAJE
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1 2 3 4 5 60
500
1000
1500
2000
2500
Grafica R - V Polarización inversa
VABRZ
Resis
tenc
ia D
iodo
1 2 3 4 5 6 7 801234567
Gráfica R-V Polarización Directa
RfVab
Resis
tenc
ia D
iodo
Paso VAB IZ mA IT mA VAA
11 VAB 10.68 20 23.4 21.2712 VAB + 0.1 10.78 27.9 31.3 25.0712 VAB - 0.1 10.58 18.9 22.1 20.69
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PREGUNTAS
1. Compare la polarización de un diodo de unión (experimento 1) con la de un diodo Zener en una aplicación normal
R// Analizando y comparando los estudios de la práctica 1, se puede resumir que el diodo zener trabaja solo en la región inversa de un diodo de unión.
2. Compare la característica de voltaje-corriente de la gráfica del diodo Zener del paso 9a) con la característica de un diodo zener.
R// Comparando las dos gráficas, se puede apreciar la similitud solo en la polarización directa, donde es el voltaje es proporcional a la corriente(a mayor voltaje, mayor será la corriente que fluye por el diodo).
3. ¿Qué parte de las características de un diodo Zener es la más útil en las aplicaciones de regulación de voltaje? ¿Por qué?
R// La característica y aplicación más importante de un diodo zener en regulación de voltaje, es cuando su función es mantener un voltaje constante en la carga, dentro de los limites requeridos, esto es posible conectándolo como regulador en paralelo.
4. Con base en la tabla 2.2 explique cómo funciona este circuito regulador.
R// El voltaje inverso constante VZ del diodo zener hace de él, un componente valioso para la regulación del voltaje de salida contra ambas variaciones: la del voltaje de entrada proveniente de una fuente de alimentación no regulada, o las variaciones de la resistencia de carga. La corriente a través del zener, cambiará para mantener el voltaje VZ dentro de los límites del umbral de la acción del zener , y de la máxima potencia que puede disipar.
5. ¿El circuito regulador de la figura 4 permite compensar los cambios en el voltaje de entrada, VAA, así como los de la corriente de carga IL? Explique
R// El circuito regulador si permite compensar estos cambios, puesto que el principal problema que se encuentra al diseñar un circuito con diodos es la variación de tensión y así la descompensación del voltaje y corriente que fluye a través de él, por esta razón se implementa el regulador zener, obteniendo así una tensión constante a la salida.
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CONCLUSION
En lo anteriormente estudiado sobre el diodo Zener, se concluyó que, al proveerle una corriente que fluya de ánodo a cátodo, tomaría las características y funcionalidades de un diodo básico, contrariamente si se le suministra una corriente inversa, este diodo solo dejaría pasar un voltaje constante.
El diodo Zener debe ser polarizado inversamente, para que adopte su función de regulador de tensión, además de que este no se comporta de igual manera que un diodo normal cuando pasa por altos flujos de corriente, siendo así, el diodo zener no se quema, sino que opta por apagarse.
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BIBLIOGRAFIA
BOYLESTAD L. Robert. Teoría de circuitos.
MALVINO Albert Paul. Prácticas de electrónica.
K.V Shalimova. Física de los semiconductores.
Angel Rodríguez Vázquez, Antonio Acosta Jiménez, Rocío del Río. <http://www2.imse-cnm.csic.es/~rocio/EBAS/DOC_PDF/APUNTES/Diodos.pdf> [Citado en 19 de febrero de 2015].
<http://quegrande.org/apuntes/grado/1G/TEG/teoria/10-11/tema_5_-_diodos_de_union_p-n.pdf> [Citado en 19 de febrero de 2015].
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