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UNIVERSIDAD PRIVADA “TELESUP” CARRERA INGENIERIA DE SISTEMAS ALUMNO DE CONVALIDACION JUAN HUGO MORALES SORIANO

Diodo Zener y Diodo Tunel Curva Caracteristica

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ACTIVIDAD UNIVERSIDAD TELESUP ALUMNO JUAN HUGO MORALES SORIANO - ING. SISTEMAS

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UNIVERSIDAD PRIVADA

“TELESUP”

CARRERA INGENIERIA DE SISTEMAS

ALUMNO DE CONVALIDACION

JUAN HUGO MORALES SORIANO

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DIODO ZENER

CONCEPTO DE DIODO

Un diodo es un componente electrónico (semiconductor) que permite el paso de la corriente "solo en un sentido".

Como vemos para que la corriente pase a través de diodo debe conectarse el ánodo al positivo y el cátodo al negativo.

   Cuando el diodo permite el paso de la corriente decimos que está polarizado directamente. Si está conectado de forma que la corriente no pasa por él decimos que está polarizado inversamente. Veamos que ocurre cuando conectamos un diodo con una lámpara en serie.

DIODO ZENDER

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Los diodos zener, zener diodo o simplemente zener, son diodos que están diseñados para mantener un voltaje constante en su terminales, llamado Voltaje o Tensión Zener (Vz) cuando se polarizan inversamente, es decir cuando está el cátodo con una tensión positiva y el ánodo negativa.

Descripción del Funcionamiento del Diodo Zener

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Cuando lo polarizamos inversamente y llegamos a Vz el diodo conduce y mantiene la tensión Vz aunque la aumentemos. La corriente que pasa por el diodo zener en estas condiciones se llama corriente inversa (Iz). 

   Se llama zona de ruptura por encima de Vz.

   Como ves es un regulador de voltaje o tensión.

   Cuando está polarizado directamente el zener se comporta como un diodo normal.

   Pero OJO mientras la tensión inversa sea inferior a la tensión zener, el diodo no conduce, solo conseguiremos tener la tensión constante Vz, cuando esté conectado a una tensión igual a Vz o mayor. Aquí puedes ver una la curva característica de un zener:

Para el zener de la curva vemos que se activaría para una Vz de 5V (zona de ruptura), lógicamente polarizado

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inversamente, por eso es negativa. En la curva de la derecha vemos que sería conectado directamente, y conduce siempre, como un diodo normal.

   Sus dos características más importantes son su Tensión Zener y la máxima Potencia que pueden disipar= Pz (potencia zener).

   La relación entre Vz y Pz nos determinará la máxima corriente inversa, llamada Izmáx. OJO si sobrepasamos esta corriente inversa máxima el diodo zener puede quemarse, ya que no será capaz de disipar tanta potencia.

   Un ejemplo: Tenemos un diodo zener de 5,1V y 0,5w. ¿cual será la máxima corriente inversa que soportará?

  Recordamos P = V x I; I = P/V. En nuestro caso Izmáx = Pz/Vz = 0,5/5,1 = 0,098A.

   Para evitar que nunca pasemos de la corriente inversa máxima, los diodos zener se conectan siempre con una resistencia en serie que llamamos "Resistencia de Drenaje".

CONEXIÓN BASICA DE UN DIODO ZENER

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La Rs sería la resistencia de drenaje y la Rl la Carga a la salida del zener. ¿Te das cuenta que la conexión es inversa?. Así se conectan siempre el zener diodo.

   En el circuito anterior la tensión de salida se mantendrá constante, siempre que sea superior a la Vz, y además será independiente de la tensión de entrada Vs. Esto nos asegura que la carga siempre estará a la misma tensión.

   Si aumentamos por encima de Vz la tensión de entrada Vs a la salida tendremos siempre la tensión constante igual a Vz.

   La Rs absorbe la diferencia de tensión entre la entrada y la salida. ¿Cómo se calcula la Rs?

   Rs = (Vs- Vo)/ (Il + Iz)

   Siendo Vs la tensión de entrada del regulador, Vo la tensión de salida, que será igual a Vz,  Il es la intensidad de carga máxima e Iz la intensidad o corriente a través del diodo zener.

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   Esta última se escoge siempre de un valor del 10% o del 20% de la corriente máxima.

   también tenemos que decir que estos diodos se utilizan como reguladores de tensión para determinadas tensiones y resistencias de carga, por encima de ellos el zener puede bloquearse e incluso destruirse. Vamos a poner un ejemplo.

   Se desea diseñar un regulador zener de 5,1V para alimentar una carga de 5 ohmios, a partir de una entrada de 9V. Para ello utilizaremos un zener de 5,1V y 1w. Calcular:

   a) La resistencia necesaria de drenaje, asumiendo una corriente de zener del 10% de la corriente máxima.

   b) Los límites de variación del voltaje de entrada dentro de los cuales se mantiene la regulación. Se asume que la carga es constante.

   c) La potencia nominal de la resistencia de drenaje.

   Vamos a resolver el problema:

   Para calcular la resistencia de drenaje ya sabemos que es:

 Rs = (Vs- Vo)/ (Il + Iz); en nuestro caso:

   Vs = 9V; Vo = 5,1V; 

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   Il = Vo / Rl = 5,1/5 = 1,02A;

   Iz = Il / 10 = 1,2 /10 = 0,102A (el 10%)

   Si ponemos estos valores en la fórmula de la Rs tendremos:

   Rs = (9V-5,1V)/(1,02A-0,102A)= 3,48Ω.

   como este valor de resistencia no existe en la realidad escogeremos el valor de una resistencia de 3,3Ω que si existe en la realidad y se comercializa.

   Vamos ahora a resolver el apartado b).

   Los valores máximos y mínimos de la tensión de entrada entre los cuales el circuito mantiene regulada la tensión de salida, podemos despejarlos de la fórmula anterior, despejando Vs y teniendo en cuenta que la Iz, corriente a través del zener, no puede ser superior a su valor máximo Izmáx ni inferior a cero. Despejamos Vs:

   Vs = (Il + Iz) x Rs + Vo;

   El valor mínimo para Vs será cuando Iz es igual a cero.

   Vsmínimo= Il x Rs + Vo;

   El valor máximo será cuando Iz es igual a Izmáx.

   Vs = (Il + Izmáx) x Rs + Vo;

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   Los valores para nuestro ejercicio son:

  Il = 1,02A; Rs = 3,3Ω; Vo = 5,1V y la Izmáx será:

   Izmáxima= Pz/Vz = 1/5,1= 0,196A. Si ponemos los valores en las fórmulas anteriores, tenemos:

   Vsminimo = 1,02 x 3,3 + 5,1 = 8,47V

   Vmáxima = (1,02 + 0,196) x 3,3 + 5,1 = 9,11V.

   ¿Qué significa esto? Pues que la tensión de entrada puede ser entre 8,47V y 9,11V para que exista regulación de tensión del diodo zener.

   Si el zener tiene una tensión inferior a 8,47V deja de conducir y si es superior a 9,11V se destruye por sobrecalentamiento. Este será el rango del que hablamos anteriormente y por lo que los zener no se pueden usar para todos los casos.

   En ambos casos no habrá regulación de tensión y el circuito se comportará como un divisor de tensión normal.

CONCLUSION

Los diodos zener solo se pueden utilizar para un rango limitado de tensiones de carga o corrientes de carga.

   Para manejar tensiones elevadas se debe utilizar junto con un transistor, que se encargará de transportar la

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corriente d carga sin alterar la tensión aplicada a ella. Pero para eso tendríamos que entender el transistor. Si te interesa aquí tienes el enlace: Transistor.

  Por último calculemos el apartado c).

   La potencia nominal mínima de la resistencia de drenaje se calcula con la fórmula:

   Ps = (9,11V -5,1V)/3,3Ω= 4,87w.

   Según esto debe escogerse como mínimo una resistencia d 3,3Ω y que aguante una potencia de 5w. En la práctica, por seguridad se elegirá una de 3,3Ω y de 10w de potencia.

DIODO TUNEL

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Diodo, componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. Los diodos más empleados en los circuitos electrónicos actuales son los diodos fabricados con material semiconductor.

El diodo túnel fue descubierto por un estudiante de investigación llamado Esaki en 1958 mientrasél estaba investigando las propiedades de germanio.

Descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado de contaminación del material básicomucho mas elevado que lo habitual exhiben una característica tensión-corriente muy particular. La corrientecomienza por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor máximo,denominado corriente de cresta.

 

 A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo siga haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo aumenta. El nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, pero luego se hace cada vez más rápido hasta llegar a de

EFECTO DEL DIODO TUNEL

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La mecánica cuántica nos dice que el efecto túnel permite que un electrón (o partícula cuántica) penetre en y atraviese una zona que, en principio, estaría prohibida. Con esto nos referimos a que el electrón no tiene suficiente energía cinética (la que tiene debido a su velocidad, por hacer un análogo clásico) para atravesar una zona, porque hay un potencial eléctrico, por ejemplo, que debería impedir su paso por ahí.

Por poner un ejemplo más visual: supongamos que tenemos un cable conectado a una pila y una bombilla, formando un circuito, todo en el vacío, sin aire.

Imaginemos que la bombilla es una bombilla especial, de super-mega-bajo consumo, de tal manera que con que un solo electrón atraviese el filamento, ya se iluminaría. Entonces cortamos un trocito de cable, de forma que la bombilla se apaga. Si pusiésemos los dos trozos de cable muy cerca, pero sin tocarse, la física clásica nos diría que no pasarían electrones a través del vacío, de forma que la bombilla no se encendería. Sin embargo, según las leyes de la mecánica cuántica, el electrón podría pasar a través del vacío,

saltando de uno a otro y pasando por esa “zona prohibida” en la que no hay material conductor

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por el que moverse.

 El efecto túnel no se produce siempre: como en todos los efectos cuánticos, estamos trabajando con probabilidades, podremos calcular la probabilidad de que el electrón atraviese el vacío, pero no ocurrirá con todos los electrones que pasen por el cable, así que no se llegaría a encender la bombilla de forma continua. Por otro lado, este efecto depende de manera crítica de la

distancia

 que tiene que atravesar elelectrón, del ancho de esa distancia prohibida. La dependencia es exponencial decreciente con la distancia, esto es, que en cuanto aumenta la distancia la probabilidad de que ocurra disminuye exponencialmente. Matemáticamente se puede poner como

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e-2ks

donde k esta relacionado con el momento del electrón (algo así como su velocidad) y S es la distancia que tiene que atravesar, es decir, el

tamaño del espacio “prohibido” que debe superar.

Este comportamiento exponencial hace que observar este efecto sea realmente difícil.

El diodo túnel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la característica corriente-tensión

La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente activo (amplificador/oscilador). Una característica importante del diodo túnel es su resistencia negativa en un determinado intervalo de voltajes de polarización directa

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CURVA DEL DIODO TUNEL

Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rápidamente al observar su curva característica, la cual se ve en el gráfico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en el sentido de paso ofrece unas variantes según la tensión que se le somete. La intensidad de la corriente crece con rapidez al principio con muy poco valor de tensión hasta llegar a la

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cresta (C) desde donde, al recibir mayor tensión, se produce una pérdida de intensidad hasta D que vuelve a elevarse cuando se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión.

DIAGRAMA DEL DIODO TUNEL

En el diagrama se ve el símbolo del diodo Tunel  se comporta de una manera muy interesante conforme se le va aumentando una tensión aplicada en sentido directo.- Cuando se aplica una pequeña tensión, el diodo tunel

 empieza a conducir(la corriente empieza a fluir).- Si se sigue aumentando esta tensión la corriente aumentará hasta llegar un punto después del cual la corriente

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disminuye.- La corriente continuará disminuyendo hasta llegar al punto mínimo de un "valle" y ....- Después volverá a incrementarse. En esta ocasión la corriente continuará aumentando conforme aumenta la tensión.

El diodo tunnel se llama también diodo Esaki  en honor a su inventor japonés Leo Esaki Los diodos tunnel  tienen la cualidad de pasar entre los niveles de corriente Ip e Iv muy rápidamente, cambiando de estado de conducción al de no conducción incluso más rápido que los  diodos Schottky Desgraciadamente, este tipo de diodo no se puede utilizar como rectificador debido a que tiene una corriente de fuga muy grande cuando están polarizados en inversa. Así estos diodos sólo encuentran aplicaciones reducidas como en circuitos osciladores de alta frecuencia.

Otras Características de los diodos Tunel

Presenta una zona de resistencia negativa.

 

 No hay procesos de alimentación, por lo tanto es útil en aplicaciones de alta velocidad.

Diodo Unitúnel o Backward: caída de tensión en el diodo muy baja.

Ventajas

Muy alta velocidad:

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 La alta velocidad de operación significa que el diodo túnel se puede utilizar para aplicaciones de RF de microondas.

Longevidad:

 Se han realizado estudios del diodo túnel y su rendimiento se ha demostrado que permanecer estable durante largos períodos de tiempo, donde otros dispositivos semiconductores pueden tener degradados.

Desventajas

Reproducibilidad:

 No ha sido posible hacer que el diodo de efecto túnel como con el rendimiento reproducible de los niveles a menudo necesarios.

Baja de pico a valle coeficiente de liquidez:

 La región de resistencia negativa y el pico de corriente de valle no es tan alto como a menudo se requiere para producir los niveles de rendimiento que se pueden lograr con otros dispositivos.

Dato curioso

Una de las principales razones para el éxito inicial del diodo túnel fue su alta velocidad de operación y las altas frecuencias que podía manejar. Esto dio como resultado del hecho de que mientras que muchos otros dispositivos son ralentizados por la presencia de los portadores minoritarios, el diodo túnel sólo utiliza portadores mayoritarios, es decir, agujeros en un material de tipo n y electr1ones en un material de tipo p. Los portadores

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minoritarios ralentizan el funcionamiento de un dispositivo y como resultado, su velocidad es más lenta. Así mismo, el efecto túnel es intrínsecamente muy rápido.

 

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