Practica No. 4“Diodo Zener y sus aplicación típica como regulador de voltaje”

Objetivos:1. Obtener y comparar las curvas características (V-I) de tres diodos Zener co

diferentes voltajes de ruptura, en cada caso, medir el voltaje de umbral y el voltaje Zener. Determinar las resistencias estáticas y dinámicas en la región directa de conducción (en un punto QD ) y en la región de ruptura Zener (en un punto de operación Qz )

2. Observar y reportar las variaciones que se representan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en el voltaje de ruptura de los tres diodos Zener, por el efecto del aumento en la temperatura ambiente

3. Observar y reportar las variaciones que presenta el voltaje Zener (voltaje de salida del circuito), cuando se presentan variaciones del voltaje de entrada y de la corriente en la carga (RL), en el circuito típico regulador del voltaje paralelo Zener

Desarrollo ExperimentalConceptos Básicos

Diodo ZenerUn diodo Zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, 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

El diodo Zener se representa en los esquemas con el siguiente símbolo:

Resistencia ZennerUn diodo Zenner, como cualquier diodo, tiene una cierta resistencia interna en sus zonas P y N: al circular una corriente a través de este se produce una pequeña caída de tensión de ruptura En otras palabras: si un diodo Zenner está funcionando en la zona Zenner, un aumento en la corriente producirá un ligero aumento en la tensión. El incremento es muy pequeño, generalmente de una decima de voltio.

Los diodos Zenner mantienen la tensión entre sus terminales prácticamente constante, cuando están polarizados inversamente, en un amplio rango de intensidades y

temperaturas, por ello, este tipo de diodos se emplean en circuitos estabilizadores o reguladores de la tensión tal y como el mostrado en la figura Eligiendo la resistencia R y las características del diodo, se puede lograr que la tensión en la carga (RL) permanezca prácticamente constante dentro del rango de variación de la tensión de entrada VS

Para elegir la resistencia limitadora R adecuada hay que calcular primero cual puede ser su valor máximo y mínimo, después elegiremos una resistencia R que se adecue a nuestros cálculos.

Rmin= Vsmax−VzILmin+ Izmax

Rmax= Vsmin−VzILmax+ Izmin

Donde: Rmin: es el valor mínimo de la resistencia limitadoraRmax: es el valor máximo de la resistencia limitadoraVsmax: es el valor máximo de la tensión de entrada Vsmin: es el valor mínimo de la tensión de entrada Vz: es la tensión del ZenerILmin: es la mínima intensidad que puede circular por la carga en ocasiones si la carga es desconectable. ILmin suele tomar el valor 0.ILmax: es la máxima intensidad que soporta la cargaIzmax: es la máxima intensidad que soporta el diodo Zener Izmin: es la mínima intensidad que necesita el diodo Zener para mantenerse dentro de su zona Zener o conducción en inversa.

La resistencia que elijamos debe estar comprendida entre los dos resultados que hemos obtenido.

Material:

Osciloscopio de doble trazo Generador de señales Multímetro analógico y/o digital Una pinza de punta Una pinza de corte 6 cables caimán- caimán de 50 cm 6 cables caimán- banana de 50 cm 6 cables banana- banana de 50 cm 4 cables coaxiales que tengan en un extremo terminación bnc y en el otro

caimanes Tablilla de conexiones (protoboard)

1 diodo Zener con voltaje de ruptura de 3.9 V a 12

watt

1 diodo Zener con voltaje de ruptura de 9.1 V a 12

watt

1 diodo Zener con voltaje de ruptura de 5.6 V a 12

watt

1 resistor de 1K a 12

watt

2 resistores de 330 a 2 watts

1 resistor de 10K a 12

watt

1 resistor de 22K a 12

watt

1 resistor de 560 a 2 watt 1 resistor de 220 a 2 watt 1resistor de 100 a 2 watt 1 encendedor

Experimentos:1. Es requisito para antes de realizar la practica el alumno presente por escrito y

en forma concisa y breve los siguientes puntos sobre el diodo Zenera. Símbolo b. Esquema típico de uniones c. Modelo matemático d. Modelo gráfico (curva característica V-I)e. Ruptura de Zennerf. Principales parámetros g. Definición h. Aplicación típica como regulador de voltaje

El profesor deberá revisar que el alumno cumpla con este punto antes de entrar a laboratorio, así como que se presente con los circuitos correspondientes debidamente armados, de NO satisfacer estas indicaciones el alumno NO tendrá derecho a quedarse en el laboratorio y se le considerara como falta al mismo

2. Obtener y comparar las curvas características (V-I), de tres diodos Zenner de diferentes voltajes de ruptura, e cada caso, medir el voltaje de umbral y el voltaje Zenner. Determinar las resistencias estéticas y dinámicas en la región directa de conducción( en un punto de operación QD) y en la región de ruptura Zenner (en un punto de operación Qz).Armar el circuito mostrado en la figura 1, colocar el diodo de 3.9V y obtener la curva característica, medir y reportar en la tabla 1 el voltaje de umbral y el voltaje de ruptura del diodo, dibujar la curva característica que se tiene en el osciloscopio (usándolo en su modo XY), mediante las graficas reportadas posteriormente en casa determinar la resistencia estática y dinámica, tanto en la región directa de conducción en un punto de operación QD, así como, en la región de ruptura en un punto de operación QZ. Repetir estos pasos para el diodo de 5.6V y luego para el de 9.1V. Nota: para cada diodo Zenner antes de quitarlo realizar las mediciones indicadas en el punto 3.

5 . 6 vZ 2

V G 1F R E Q = 1 K H z

V O F F = 1 0 V p ic o

Canal 2(Y)(invertido)

Canal 1(X)

0

3 . 9 vZ 1 9 . 1 VZ 3

R

1 k

Figura 1.a. circuito propuesto para obtener la curva característica del diodo Zenner

Figura 1.b.Curva característica V-I del diodo

Figura 1.

Tabla 1. Voltaje de umbral y voltaje de ruptura de tres diodos Zenner medido a T=TA y a T> TA

Figura 2.a. Grafica del diodo 1 (Vz =3.9V)

Figura 1.

Diodo Zenner Voltaje de Umbral Vu (V) Voltaje de Ruptura Vz (V)Medición A

T=TA

Medición AT> TA

Medición AT=TA

Medición AT> TA

Diodo 1(3.9V) 0.6 0.30 3.7 3.2Diodo 2 (5.6V) 0.6 0.40 5.4 5.2Diodo 3 (9.1) 0.7 0.50 9.0 8.0

3. Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en el voltaje de ruptura de los tres diodos Zenner, por el efecto del aumento en la temperatura ambiente.Usando el mismo circuito de la figura 1, observar y reportar en la tabla 1 la variación que presenta el voltaje de ruptura y el voltaje de umbral cuando aumenta la temperatura ambiente, para lograr este aumento, acercar un cerillo encendido o la punta caliente de un cautín, al diodo bajo prueba por espacio no mayor a 5 seg. Realizar esta medición para cada uno de los diodos en el orden marcado en el punto anterior

Figura 2.b. Grafica del diodo 2 (Vz =5.6V)

Figura 2.c. Grafica del diodo 3 (Vz =9.1V)

Figura 2. Curvas características para tres diodos Zenner

4. Observar y reportar las variaciones que presenta el voltaje Zenner (voltaje de salida del circuito), cuando se presentan variaciones del voltaje de entrada y de la corriente en la carga (RL), en el circuito típico regulador de voltaje paralelo con Zenner.4.1. Armar el circuito de la figura 3 (regulador de voltaje paralelo con diodo

Zenner) y reportar las variaciones que presenta el voltaje Zenner y las variaciones de la corriente en la carga, cuando se varía el voltaje en la entrada. Variar el voltaje de la fuente “E” desde 0 hasta 20V y reportar las mediciones de voltaje y corriente que se indican en el circuito en la tabla 2.

Figura 3. Circuito regulador de voltaje paralelo con diodo Zenner

Variaciones del voltaje Zenner (voltaje a la salida del regulador) y de la corriente en la carga (RL) para el diodo con ruptura 5.6 V cuando varia el voltaje en la entrada del circuito regulador

Voltaje en la entrada Voltaje en el Zenner (V)

Corriente en la carga (mA)

0 0 02 1V 3.035 2.5V 7.578 4V 12

11 5.48V 1714 5.61V 1717 5.63V 1720 5.65V 17

4.2. Armar el circuito de la figura 4, medir y reportar en la tabla 3, las variaciones que se tengan para el voltaje de ruptura del diodo (voltaje a la salida del regulador) y para la corriente de (carga RL), cuando se presentan variaciones en la resistencia de carga.

R1

330Ω2%

D1BZX84-C5V6

V110 V

R2

1kΩ0.5%

U1DC 1e-009Ohm5.614m A

+

-

U2DC 10MOhm5.614 V

+

-

Resistencia en la carga () Voltaje medido en el diodo Zenner (V)

Corriente medida en la carga (mA)

Circuito abierto (resistencia infinita)

22K 5.62 25610K 5.62 5631K 5.61 5.61

0.56K 5.59 9.980.33K 5 150.22K 4 180.10K 2.3 23

Cuestionario.1. Usando el diodo Zenner de 9.1V, dibuje la curva característica que se

obtendría en el osciloscopio, si el voltaje pico de la señal de entrada fuera de 5V. Explique porque la curva

Figura 4. Circuito regulador de voltaje con diodo Zenner y carga variable

Tabla 3. Variaciones del voltaje de ruptura del diodo Zenner (voltaje a la salida) y de la corriente en la carga (RL) en un circuito regulador de voltaje para diferentes resistencias de cargas

R1

1kΩ0.5%

V1

5 Vpk 1kHz 0°

D1BZX84-C9V1

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

No alcanza a roturarse el voltaje del diodo zener, porque no alcanza la capacidad del voltaje zener.

2. De los tres diodos Zener que utilizó en los experimentos ¿Cuál de ellos presentó coeficiente de temperatura positivo, cuál negativo y cuál aproximadamente cero? Explique por qué

En el diodo zener de 3.9, alcanzo un cofienciente de temperatura negativo porque es muy bajo el voltaje.

En el diodo zener de 5.6V nos dio un valor aproximado a cero En el diodo zener de 9.1, nos dio un valor positivo.

3. ¿Qué tipo de portadores generan la ruptura Zener? ¿En qué condiciones de impurificación se presenta esta ruptura?

Cuando la tensión inversa aplicada es grande, aumenta el campo en la unión y por tanto la velocidad y la energía de los portador es arrastrados por ese campo. A partir de un determinado valor del campo la energía de los portadores es tal que al chocar con los átomos del cristal puede romper nuevos en laces covalentes liberando pares electrón -hueco. Estos nuevos portadores son vueltos a acelerar por el campo provocando nuevas colisiones y nuevos portadores libres en un proceso de avalancha. El efecto túnel o ruptura zener se debe a que un fuerte campo eléctrico en la unión puede romper directamente enlaces covalentes generando portadores.

4. ¿Cuál o cuáles de los tres diodos usados, presenta ruptura tipo Zenner (tuneleo de la barrera de potencial)? Explique porque

El diodo que tiene voltaje 3.9 y el de 5.6 pero menos, ya que la fuente que se esta metiendo es de 10 Volts pico y por supuesto debido al voltaje que maneja cada uno de los zeners, y por lo tanto genera una forma de ruptura mucho mas grande a comparación que la del diodo de 9.6V, que esta muy cera del voltaje de la fuente y casi no hay ruptura.

5. Diga ¿Qué curva característica obtendría en el osciloscopio para el circuito de la figura 1, en caso de que colocara en paralelo los 3 diodos Zenner? Dibújela y explique.

R1

1kΩ0.5%

V1

10 Vpk 1kHz 0°

D1BZX84-C9V1

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

D2BZX84-B3V9

D3BZX84-B5V6

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 V Z. No se debe usar cuando VF > VZ por largos periodos de tiempo pues en ese caso se daña el diodo.

6. Dibuje la curva característica que se obtendría en el osciloscopio, para el circuito de la figura 1, en caso de que colocara en serie los tres diodos Zenner. Dibújela y explique.

R1

1kΩ0.5%

V1

10 Vpk 1kHz 0°

D1BZX84-C9V1

XSC1

Tektronix

1 2 3 4 T

G

P

D2BZX84-B3V9

D3BZX84-B5V6

Por el hecho de haber mas voltaje no hay ruptura.

7. Determine la resistencia estática en la región directa de conducción para cada uno de los diodos Zenner usados en el punto 3, considerando un punto de operación con corriente de 2MaPara sacar la resistencia del diodo zener, se utiliza la ley de Ohm que es igua a R=V/I

(3.9V)/(2mA)=1950 Ohms (5.6V)/(2mA)= 2.8K Ohms (9.1V)/(2mA)= 4.5K Ohms

8. Determine la resistencia estática en la región directa de conducción, para cada uno de los diodos Zenner usados en el punto 3, compare los tres cálculos e indique cuál de ellos tiende a comportarse mejor como regulador de voltaje. Explique (para un punto de operación con corriente 2mA)

El diodo zener de voltaje de 9.1V, sirve como regulador de voltaje porque tiene una resistencia mucho mayor a las otras dos

9. En el circuito regulador de voltaje de la figura 3, si el voltaje de la señal de entrada es 20V, realice los cálculos necesarios para determinar la corriente que circula por el diodo Zenner en esta situación, compare con el valor medido en la tabla 3.

Iz=

Diodo de 3.9 V : Iz= 36.97mA Diodo de 5.6 V : Iz= 26.67 mA Diodo de 9.1 V : Iz= 5.46 mA

10. ¿Cuál sería la corriente que circularía por el diodo Zenner, para el mismo voltaje de 20V a la entrada, si la resistencia de carga fuera circuito abierto?

Diodo 3.9V lz=48.81mA Diodo 5.6V lz= 43.67mA Diodo 9.1V lz= 33.09mA

11. Determinar la potencia que deberá disipar el diodo Zenner en la condición marcada en el punto anterior

P=(48.81mA)(3.9V)=190.3mW P=(43.67mA)(5.6V)=244.4mW P=(33.09mA)(9.1V)=300.6mW

12. Para el circuito regulador de voltaje paralelo de la figura 3, determine el valor mas pequeño de la resistencia de carga, que permite que la regulación se mantenga. Determine el máximo valor de la corriente en la resistencia de carga

13. Dibuje la gráfica de voltaje de entrada contra voltaje de salida con los datos de la tabla 3

14. Dibuje la gráfica de resistencia de carga contra voltaje de salida con los datos de la tabla 3

15. Proponga un circuito recortador de voltaje con diodo Zenner, que recorte la señal negativa en 5V y la positiva en 0.7V

16. Proponga un circuito recortador de voltaje con diodo Zenner, que recorte la señal negativa y positiva en 9.1V

17. Anote sus conclusiones

18. Anote su bibliografía