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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRONICA CURSO: DISPOSITIVOS ELECTRONICOS TURNO: 91G LABORATORIO TEMA: DIODO ZENER PROFESOR: ING. CUZCANO RIVAS ABILIO BERNARDINO INTEGRANTES: PALMA FLORENTINO KEVIN CALLAO – PERÚ MAYO

Lab Diodo Zener

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DIODO ZENER1. OBJETIVOS

La práctica pretende que el estudiante:

Conozca las pruebas de laboratorio realizadas a los diodos Zener y diodos emisores de luz (LED), para determinar sus características de funcionamiento.

Compruebe experimentalmente el comportamiento del diodo Zener.

Verificar las características del diodo Zener como regulador de voltaje.

Comparar los resultados prácticos, con los resultados obtenidos mediante el simulador Proteus.

2. EQUIPOS Y COMPONENTES

Fuente de voltaje VDC y Fuente de voltaje VAC ( Transformador de salida múltiple)

Osciloscopio digital y multímetro digital.

02 Diodo Zener. de 6.2 V/W.

04 Diodo LED de los siguientes colores: Azul, Verde, Amarillo y Rojo.

Capacitadores electrolíticos: 100uF/25V, 2200uF/25V.

Resistores de carbón de 1W: 25Ω, 33Ω, 100Ω, 150Ω, 220Ω, 680Ω y 1KΩ.

Protoboard y cables de conexión.

Proteus Isis v7.2 SP6 o superior.

3. MARCO TEORICO

CARACTERÍSTICAS Y APROXIMACIONES

Los diodos que trabajan en la zona de ruptura se conocen como diodos zener o diodos de avalancha. Esto es debido a los dos fenómenos que se producen durante su funcionamiento. Para valores inferiores a Vz=5.6V, el diodo de ruptura trabaja bajo el efecto avalancha. Estos valores son aproximados, ya que existe una zona fronteriza entre los 4.7v y 5.6v en los que no es fácil distinguir bajo que efecto están trabajando, ya que depende de la fabricación de los mismos. En función de esto, el modelo matemático a utilizar en la resolución de circuitos será diferente. El efecto bajo el que estén trabajando es dependiente del procedimiento de fabricación, no comportándose indistintamente de una u otra forma.

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Estos fenómenos se deben a una fuerte generación de portadores en la zona de transición debido a que la intensidad de campo eléctrico alcanza un valor suficientemente grande. En el caso de la ruptura zener, el campo eléctrico es suficientemente intenso como para romper directamente los enlaces. Es el mecanismo típico si Vz≤4.5v. En este casi el coeficiente de temperatura es negativo. En el caso de multiplicación por avalancha, el campo eléctrico acelera los portadores que atraviesan la zona de transición. Algunos chocan y generan más portadores. Si el campo es suficientemente intenso, los nuevos portadores vuelven a chocar y vuelven a generar más portadores, y con ello una fuerte corriente. Es el mecanismo típico si Vz≥5.6V.El coeficiente de temperatura es positivo.

En la siguiente figura se pueden observar las diferentes formas o símbolos esquemáticos utilizados para identificar a los diodos zener.

fig1.

La aplicación más habitual del diodo zener es utilizarle en circuitos donde se necesite mantener contante un valor de tensión, en correspondencia con la tensión de ruptura del diodo. Estos valores normalizados se encuentran en las tablas de valores.

Para el funcionamiento como diodo de ruptura o, simplemente zener su polarización es en inversa. Si lo polarizamos en directa, su comportamiento es similar a la de un diodo rectificador normal, con una tensión directa similar a la de un diodo rectificador normal.

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Los puntos característicos de su curva de funcionamiento se pueden observar a continuación. Cabe destacar la zona de funcionamiento inversa (Reverse), la zona de codo (Knee) y la de funcionamiento con la corriente especificada por el fabricante como corriente zener de test (Zener Test).

fig2. fig3.

Si deseamos obtener los valores de polarización de un zener en un circuito determinado, deberemos obtener primero su recta de carga. Pará ellos, partiendo del circuito aplicamos cálculo de ley de malla, nos queda

V cc=R . iD+vD

Obteniendo los valores extremos, es decir, cuando V d=0 y cuando iD=0, tenemos

iD=V ccRV cc=vD

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Estos dos valores nos ofrecen los puntos de corte con los ejes de coordenadas. Dé la intersección de esta recta con la curva característica del diodo zener se obtiene el punto de trabajo o de funcionamiento para un circuito en particular.

fig4.

En la figura se muestran los valores característicos de los diodos zener de 0.5W y en la figura los valores de los diodos zener de 1W.

Los elementos de esta tabla son:

Tensión zener e impedancia zener.

Corriente zener de test.

Impedancia zener y corriente zener en la zona de codo.

Tensión y corriente zener en la zona inversa.

Sobre corriente máxima.

Corriente máxima admisible en funcionamiento normal.

Como se mencionó anteriormente, para un funcionamiento del diodo de ruptura como estabilizador de tensión es necesario que esté trabajando en la zona inversa o polarizada inversamente.

A la hora de comprender el funcionamiento de este componente debemos obtener un modelo matemático de comportamiento. Pará ellos, en la figura se muestra el circuito equivalente de un zener, siendo este una aproximación al funcionamiento real también llamado modelo para gran señal.

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fig5.

En este modelo de comportamiento, los diodos D, de polarización directa e inversa son ideales. A efectos prácticos, en la polarización directa solo se considera la resistencia dinámica en directa RF, y la pila 0.7V, como si se tratase de un diodo rectificador normal. Para la polarización en inversa, que es la que nos interesa en este momento, consideraremos el valor ZZ , que es la impedancia o resistencia zener y la tensión V ' zener .Ambos datos los obtenemos de las tablas de valores, dependiendo de la potencia que necesitemos.

Debido a los dos posibles efectos de funcionamiento del diodo de ruptura, la forma de resolver los circuitos también es doble. Para el caso de funcionamiento mediante efecto zener, VZ≤4.5V, se dice que el diodo zener no utiliza ninguna aproximación, es decir, la tensión de ruptura del diodo es la indicada por el fabricante.

V Z (KA)=V ' Z

Para el caso del funcionamiento mediante efecto avalancha, se utiliza la primera aproximación del diodo zener. Es decir, se tiene en cuenta una perturbación, introduciendo la idea de la impedancia zener como causante de la misma. En este caso el valor de la tensión en bordes del diodo zener es:

V Z (K A )=V 'Z+(ZZ . I Z )

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Siendo el valor de la tensión V ' Z el indicado por el fabricante, y el otro sumado, el correspondiente a la perturbación debida al valor de la impedancia zener, ZZ, en función de la corriente que circule a su vez. Este valor lo deberá fijar el diseñador.

Para justificar la bondad de funcionamiento del diodo zener y su utilidad en los circuitos electrónicos como estabilizador de tensión, observemos el siguiente circuito.

fig6.

Si definimos el factor de regulación como la relación entre la variación de la tensión de salida y la variación de la tensión de entrada, podremos observar la sensibilidad del circuito para cambios importantes en el valor de la tensión de entrada.

F reg=∆V s∆V e

|∆ IZ=0

∆V s=I e . Z z

∆V e=I e (R s+Z z )

Sustituyendo las ecuaciones anteriores el factor de regulación nos queda

F reg=Z z

R s+Z z

Dado que Rs suele ser mucho mayor que ZZ, para una variación importante de tensión a la entrada, esta quedara atenuada a la salida por el factor de regulación.

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CIRCUITO ESTABILIZADOR CON DIODO ZENER

Para que el diodo zener funcione como tal debe estar funcionando en la zona de ruptura. La resistencia limitadora para polarizar adecuadamente al diodo la calculamos de circuito a continuación.

fig7.

Nótese que esta ecuación corresponde a la utilización del zener sin aproximación, es decir, la tensión en bordes del diodo zener es la suministrada por el fabricante, no teniendo en cuenta el efecto perturbador de la impedancia zener. Si deseamos utilizar el zener con la aproximación y/o resistencia de carga variable, la ecuación:

Rlim ¿=

V ¿−VD 1I zener+I Load

¿

Si estamos trabajando con un diodo zener de más 5.6V deberemos de tener en cuenta la aproximación expresada en las ecuaciones anteriores y partiendo de la ecuación anterior, lo sustituimos los valores que las entregan , es decir, I load yV D1, nos queda

V D1=V ' z+(Zz . I z ) I load=V D1

Rload

Rlim ¿=

V ¿−V'z−(Z z . I z)

I zener+V ' z+(Z z . I z)

RLoad

¿

Reagrupando términos, nos queda

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Rlim ¿=

V ¿−V'z−(Z z . I zener)

I zener(1+ ZzRLo ad )+

V ' zRLoad

¿ I zener=V ¿−V'z ¿¿

Esta ecuación nos ofrece el valor de la resistencia limitadora del diodo zener con la aproximación citada, resistencia de carga fija y tensión de entrada fija. Si necesitamos que la entrada de tensión sea variable y la resistencia de carga también lo sea, a continuación la ecuación

Rlim min=V ¿max−V

'z−(Zz . I zen ermax)

I zener max(1+ Z zRLoad max )+

V ' zRLoadmax

Indicándonos el mínimo valor que podremos colocar en la resistencia limitadora para que el circuito funcione correctamente. Para un valor inferior de RLim , el circuito puede dejar de funcionar, estropeándose el diodo zener por exceso de corriente.

De la misma forma para el caso contrario, nos queda

Rlim max=V ¿min−V

'z−(Z z . I zenermin)

I zenermin(1+ Z zRLoad min)+

V ' zRLoadmin

Este será el máximo valor que podemos colocar en la resistencia limitadora para que el circuito funcione correctamente. Para un valor superior de RLim, el zener dejara de estar en zona de ruptura (por falta de corriente) y la tensión de salida no estará regulada, aunque el diodo zener no se estropeara.

4. PROCEDIMEINTO

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CURVA CARACTERISTICA DEL DIODO ZENER:

- Implementar el circuito de la figura en Proteus V e=9 sen (wt ) R=680Ω .

- Establecí en el osciloscopio el modo de visualización X – Y.

fig8.

- Observación de la curva característica I z vs V z

fig9.

Podemos observar que la curva característica del diodo zener, es decir que para trabajar con el diodo zener hay q invertir la polaridad a comparación con el diodo normal de funcionamiento seria rectificador normal, su funcionamiento del diodo zener seria avalancha en función de la ruptura de voltaje, viendo en la parte superior el funcionamiento de la inversa, la zona de codo y el funcionamiento del diodo zener que es la parte de avalancha.

ZENER COMO PROTECTOR DE SOBRECARGA

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- Implemente el circuito tal como se muestra en Proteus.

fig9.

- Observe en el osciloscopio la señal de salida Vs comparado con la señal de entrada Ve.

fig10.

Observamos que el voltaje de entrada que es de color amarillo sigue siendo de forma senoidal en cambio el voltaje de salida Vs es una gráfica recortador positivo y negativo por nivel.

- ¿Qué pasa con “Vs” si se modifica la amplitud de “Ve” a 12V?

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fig11.

Observamos en el osciloscopio que el voltaje de entrada que es de color amarillo a aumentado la amplitud de su onda con respecto a el voltaje de salida que es de color verde llamado recortador positivo y negativo por nivel.

ZENER COMO REGULADOR DE VOLTAJE

- Implementamos el circuito tal como se muestra en Proteus.

fig12.

- Calcule el valor de RL de modo que por el circule una corriente máxima de 200mA.

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Primero sacamos los datos del diodo BZV85C6V2:

V z=6.2v

Z z=4Ω

I ZM=35mA

Ahora como su voltaje es mayor que 5.6V reemplazamos en la siguiente ecuación.

V D1=V ' z+(Zz . I z )=6.2+4 x35 x 10−3 V D1=6.34 v

Ahora calculamos el RL.

I load=V D 1Rload

RL=31.7Ω

POLARIZACION DE LOS DIODOS EMISORES DE LUZ LED

- Elaboramos el circuito mostrado en Proteus.

Azul:V a=3.4v I 1=20mA

R1=V e−V aI 1

=5−3.420mA

=80Ω

Verde:V v=2.4v I 2=20mA

R2=V e−V v

I 2=5−2.420mA

=130Ω

Rojo:V R=1.5 v I 3=20mA

R1=V e−V aI 3

=5−1.520mA

=175Ω

Amarillo:V A=2v I 4=20mA

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R1=V e−V A

I 4= 5−220mA

=150Ω

- Tabla de valores :

LED de¿¿ V LED I LED ResistenciaAzul 3.4 v 20mA R1=80Verde 2.4 v 20mA R2=130Amarillo 2.0v 20mA R3=175Rojo 1.5v 20mA R4=150

- Observamos en este último circuito que hay q saber bien que resistencia debemos colocar junto a un diodo para no llegar a quemar o inhabilitar un LED es por eso que cada color de LED tiene un voltaje de referencia.

5. CONCLUSIONES

Podemos concluir que un diodo zener se utiliza cuando se quiere tener una tensión de voltaje constante.

También podemos saber que el diodo zener solo se utiliza cuando inviertes la polaridad del diodo al que comúnmente se utiliza ya que si se polariza como un diodo normal se trabajaría como un diodo normalizado.

También podemos obtener la resistencia limitadora entre los mínimos y máximos y elegir una resistencia que se adecue en el intervalo.

Podemos entender de cómo trabajan los LED ya que son muy delicados y se tiene que considerar los voltajes de cada tipo de LED y que la intensidad luminosa va de 10 a 20 mA.

6. BIBLIOGRAFIA

- Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos - Robert Boylestad

- Dispositivos electrónicos: SAVANT.

7. ENLACE

http://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/7881/mod_resource/content/1/Capitulo_3_-_Circuitos_con_diodos_Diodos_zener.pdf

- http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001771/html/ cap03/03_06_01.html

- http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/good-ark/BZV8511.pdf

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