Diodo Zener
Dra. Elsa Chavira Martínez
Profesora – Investigadora
BUAP-FCC
Índice
O El diodo Zener
O Aplicaciones del diodo Zener
O El diodo varactor
O Diodos ópticos
O Otros tipos de diodos
O Solución de fallas
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Competencias
Describir las características de un diodo zener
y analizar su operación
◆ Explicar cómo puede utilizarse un zener en
aplicaciones de limitación, regulación y
referencia de voltaje
◆ Describir las características de
capacitancia variable de un diodo varactor y
analizar su operación en un circuito típico
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Competencias
◆ Analizar la operación y características de
los LED y Fotodiodos
◆ Analizar las características básicas de
diodos reguladores de corriente, túnel, de
recuperación abrupta, pin, Schottky y láser
◆ Solucionar fallas de reguladores de diodo
zener
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Objetivos generales
Una aplicación importante de los diodos zener es
regular voltaje para producir voltajes de referencia
estables para usarlos en fuentes de alimentación,
voltímetros y otros instrumentos.
El diodo zener mantiene un voltaje de cd casi
constante en condiciones de operación
apropiadas.
Se discutirán las condiciones y las limitaciones
para el uso apropiado del diodo zener y los
factores que afectan su desempeño.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Objetivos Específicos ◆ Identificar un diodo zener por su símbolo
◆ Discutir las situaciones de avalancha y de ruptura zener
◆ Analizar la curva de característica V-I de un diodo zener
◆ Discutir los circuitos equivalentes del zener
◆ Definir coeficiente de temperatura y aplicarlo al análisis de un diodo zener
◆ Discutir la disipación de potencia en un diodo zener y aplicar la reducción nominal de ésta
◆ Interpretar la hoja de datos de un diodo zener
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Símbolo del diodo Zener
Un diodo zener es un dispositivo de silicio con unión pn diseñado para operar en la región de ruptura en inversa.
El voltaje de ruptura de un diodo zener se ajusta controlando cuidadosamente el nivel de dopado durante su fabricación.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Recuerde, que cuando analizamos
la curva característica del diodo en
la sección anterior, y que cuando
un diodo alcanza la ruptura en
inversa, su voltaje permanece casi
constante aun cuando la corriente
cambie drásticamente: ésta es la
clave para la operación de un
diodo zener.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Esta característica de voltaje-corriente se muestra de
nuevo en la figura 3-2; la región normal de operación de
diodo zener se muestra como un área sombreada.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Ruptura zener
Los diodos zener se diseñan para operar en
condición de ruptura en inversa; en un diodo
tal, los dos tipos de ruptura en inversa son la
de avalancha y zener.
El efecto de avalancha, que se describió
anteriormente, ocurre tanto en diodos
rectificadores como en los zener a un voltaje
inverso suficientemente alto.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
La ruptura zener ocurre en un diodo zener a
voltajes en inversa bajos.
Un diodo zener se dopa en exceso para
reducir el voltaje de ruptura; esto crea una
región de empobrecimiento muy estrecha.
En consecuencia, existe un intenso campo
eléctrico adentro de la región de
empobrecimiento.
Cerca del voltaje de ruptura zener (𝑉𝑍), el
campo es suficientemente intenso para jalar
electrones de sus bandas de valencia y crear
corriente.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Los diodos zener con voltajes de ruptura de
menos 5 V operan predominantemente en
ruptura zener.
Aquellos con voltajes de más de 5 V operan
predominantemente en ruptura de avalancha.
Ambos tipos, sin embargo, se conocen como
diodos zener.
Los diodos zener están comercialmente
disponibles con voltajes de ruptura de menos
de 1 V hasta más de 250 V, con tolerancias
especificadas de 1 a 20 por ciento.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Características de ruptura La figura 3-3 muestra la parte de operación en
inversa de la curva característica de diodo
zener.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Características de ruptura Observe que conforme se incrementa el voltaje en
inversa (VR), la corriente en inversa (IR) permanece
extremadamente pequeña hasta la “inflexión” de la
curva.
La corriente en inversa también se llama corriente
zener, 𝐼𝑍.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Características de ruptura La corriente en inversa también se llama corriente zener,
𝐼𝑍. En este punto, se inicia el efecto de ruptura: la
resistencia zener interna, también llamada impedancia
zener (𝑍𝑍), comienza a reducirse a medida que la
corriente se incrementa rápidamente.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Características de ruptura Desde la parte inferior de la inflexión, el voltaje de ruptura
zener (𝑉𝑍) permanece esencialmente constante aunque
se incrementa un poco a medida que se incrementa la
corriente zener, 𝐼𝑍.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Regulación zener
La característica clave del diodo zener es su capacidad de mantener el voltaje en inversa esencialmente constante a través de sus terminales.
Un diodo zener que opera en condición de ruptura actúa como regulador de voltaje porque mantiene un voltaje casi constante a través de sus terminales durante un intervalo especificado de valores de corriente en inversa.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Se debe mantener un valor mínimo de corriente en inversa, 𝐼𝑍𝐾 para mantener el diodo en condición de ruptura para regulación de voltaje.
En la curva de la figura 3-3 se ve que cuando la corriente en inversa se reduce por debajo de la inflexión de la curva, el voltaje se reduce drásticamente y se pierde la regulación.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Además, existe una
corriente máxima, 𝐼𝑍𝑀,
por encima de la cual el
diodo puede dañarse por
la excesiva disipación de
potencia.
Por lo tanto,
básicamente, el diodo
zener mantiene un
voltaje casi constante a
través de sus terminales,
con valores de corriente
en inversa que van
desde 𝐼𝑍𝐾 hasta 𝐼𝑍𝑀.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Normalmente se
especifica un voltaje
nominal del zener,
𝑉𝑍, en una hoja de
datos a un valor de
corriente en inversa
llamada corriente de
prueba zener.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Circuito equivalente ideal de un zener
La figura 3-4 muestra el modelo ideal (primera
aproximación) de un diodo zener en ruptura
inversa y su curva característica ideal.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Experimenta una caída de voltaje igual al voltaje
nominal del zener.
Esta caída de voltaje a través del diodo zener producida
por la ruptura en inversa está representada por un
símbolo de un voltaje de cd aun cuando el diodo zener
no produce voltaje.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Circuito equivalente práctico de un zener
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Circuito equivalente práctico de un zener
La figura 3-5 (a) representa el modelo práctico (segunda
aproximación) de un diodo zener, donde la impedancia
zener (resistencia) 𝑍𝑍 está incluida.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Circuito equivalente práctico de un zener
Como la curva de voltaje real no es idealmente vertical, un
cambio en la corriente del zener (∆𝐼𝑍) produce un pequeño
cambio del voltaje zener (∆𝑉𝑍) como la figura 3-5 (b) lo ilustra.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Circuito equivalente práctico de un zener Según la ley de Ohm, la relación de ∆𝑉𝑍 a ∆𝐼𝑍 es la impedancia, tal como la siguiente ecuación lo expresa:
𝑍𝑍 =∆𝑉𝑍∆𝐼𝑍
Normalmente, 𝑍𝑍 se especifica en la corriente
de prueba zener.
En la mayoría de los casos puede suponerse
que 𝑍𝑍 es una constante pequeña dentro del
intervalo completo de valores de corriente zener
y es puramente resistiva.
Es mejor no operar un diodo zener cerca de la
inflexión de la curva porque la impedancia
cambia dramáticamente en dicha área.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Para la mayoría de los análisis de circuitos y
tareas de solución de fallas, el modelo ideal
dará muy buenos resultados y es mucho más
fácil de utilizar que modelos más complicados.
Cuando un diodo zener opera normalmente,
estará en ruptura inversa y se deberá observar
el voltaje de ruptura nominal a través de él.
La mayoría de los esquemas indicarán en el
dibujo cual debe ser este voltaje.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Coeficiente de temperatura El coeficiente de temperatura especifica el
cambio en porcentaje del voltaje del zener por
cada cambio de un grado Celsius de la
temperatura.
Por ejemplo, un diodo zener de 12 V con
coeficiente de temperatura positivo de
0.01%/°C experimenta un incremento de 1.2
mV en 𝑉𝑍 cuando la temperatura de la unión
aumenta un grado Celsius.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Coeficiente de temperatura La fórmula para calcular el cambio en el voltaje del zener para un cambio de temperatura de la unión dado, con un coeficiente de temperatura dado, es:
donde 𝑉𝑍 es el voltaje nominal del zener a la temperatura de referencia de 25°C, TC es el coeficiente de temperatura y T es el cambio de temperatura con respecto a la temperatura de referencia.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Un TC positivo significa que el voltaje del zener
se incrementa con un aumento de la
temperatura o decrece con una reducción de
la temperatura.
Un TC negativo significa que el voltaje del
zener decrece con un incremento de la
temperatura o se incrementa con una
reducción de la temperatura.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
En algunos casos, el coeficiente de
temperatura se expresa en mV/°C en lugar
%/°C.
En estos casos, ∆𝑉𝑍VZ se calcula como
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Repaso
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Repaso
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Referencias bibliográficas
1. http://www.pearsoneducacion.net/floyd
2. Malvino, Albert P., Principios de
3. Electrónica, 7ª McGraw-Hill, 2007.
4. Sedra y Smith, Circuítos Microelectrónicos, 5ª ed. McGraw-Hill, 2006.
5. Rashid, Muhammad H., Electrónica de Potencia: Circuitos, Dispositivos y aplicaciones, 3ª ed. Prentice Hall , 2004.
6. Schilling Belove, Circuitos Electrónicos Discretos e Integrados, McGraw-Hil, 1993.
© D
ra. E
lsa
Ch
avir
a M
art
íne
z, B
UA
P-F
CC
Recommended
