¿Qué es el diodo Zener? Y sus principales características

Juan Carlos G 2020-02-14
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¿Qué es el diodo Zener? Y sus principales características

Los Zener

Continuando con el tema de los semiconductores hoy quiero hablarte sobre el Diodo Zener, veremos ¿Qué es?, ¿Cómo funciona? y un ejemplo para que puedas practicar, recuerda que el tema de semiconductores forma parte del curso básico de Electrónica donde aprenderá ¿Qué es la electrónica? y mucho mas y no olvides en compartir si crees que te ha sido útil. 🤘

 

 

¿Qué es un diodo Zener?

El diodo Zener es un tipo de semiconductor que al polarizarlo correctamente en sus terminales nos entrega un voltaje estable aun cuando a la entrada haya una variación de tensión.

¿Como esta hecho un Diodo Zener?

Es un tipo de diodo construido a partir de la unión de dos materiales tipo p y n, en donde, a la unión de dichos elementos se le conoce como región de empobrecimiento y dependiendo de la polarización su comportamiento puede variar ya sea como interruptor a como un regulador de voltaje.

Esta construido para ser polariza en inversa con la intención de hacerlo trabajar en la región Zener de la curva característica del diodo.

Con lo anterior se logra que en sus terminales se mantenga un voltaje o diferencia de potencial prácticamente constante llamado voltaje Zener Vz, solo se debe de calcular cual esta variación de voltaje para no dañar el componente, mas adelante lo veremos en el ejemplo que prepare par ti.

 

Región de empobrecimiento del diodo zener
Región de empobrecimiento

 

 

El diodo Zener opera en una zona específica de la curva característica del diodo, así que recordemos lo que es un diodo, un diodo es un semiconductor con la misma unión p y n, y este puede actuar como un interruptor cerrado si en sus extremos se aplica una diferencial de potencial positivo o en directa y será un circuito o interruptor abierto si se aplica una tensión negativa.

 

¿Cómo funciona un diodo Zener?

Símbolo del diodo esquemaEn esencia los diodos funcionan como interruptores electrónicos cuando están en directa, ya que al polarizarlos en directa, rompemos la barrera que existe en la zona de la unión de los materiales p y n permitiendo que la corriente fluya.

Cuando un diodo es polarizado en inversa y este tiene niveles de dopado adecuado se convierte en un diodo Zener funcionando u operando en la llamada región Zener de la curva característica del diodo, en donde la corriente de saturación del diodo I_D es prácticamente igual a la corriente de saturación en inversa Iz, y está controlado para no llegar a la región de ruptura o avalancha del diodo.

No olvides en siempre consultar la DATSHEET del diodo Zener para obtener exactamente los parámetros del componente y así obtener la curva característica del diodo Zener que estas usando.

En estas condiciones el diodo Zener funciona como un regulado de voltaje, es decir, en las terminales del diodo se presenta un diferencial de potencial prácticamente constante mientras el diodo se mantenga en la región Zener y la temperatura es estable.

 

Tipos de Zener

La ubicación de la región Zener se obtiene variando el nivel de dopado en los materiales, un incremento en el dopado que aumente el nivel de impurezas reducirá el potencial Zener. Con esto se tiene acceso a distintos tipos de diodos Zener con potenciales que van desde los 1.8 Volts a 200 Volts, soportando potencias desde un cuarto de watts a unos 50 watts aproximadamente y dadas las excelentes capacidades que nos brinda el Silicio en corriente y temperatura la mayoría de los diodos Zener están hechos de este semiconductor.

 

Símbolo del diodo Zener
Símbolo del diodo Zener

 

 

 

¿Para qué sirve un diodo Zener?

La función principal como hemos visto es actuar como un regulador de voltaje para determinadas tensiones según el grado de dopaje del diodo. También son utilizados como elementos de protección para los circuitos ya que al fungir como reguladores de voltaje evitan que la tensión aumente o sobrepase la cantidad necesaria para que estos operen.

 

Polarización del diodo Zener

Dado que el Zener sigue siendo un diodo semiconductor se puede polarizar de tres diferentes maneras.

 

Sin polarización

En estas condiciones el diodo no presenta ningún estimulo externo por lo tanto el voltaje o tensión de polarización es igual a cero, lo que da como resultado una corriente inversa y directa igual a cero. Ya que al no recibir un estímulo los electrones y los huecos en la zona de la unión se combinan de tal manera que provocan un una carencia o disminución de portadores libres próxima a la dicha región.

 

Polarización en directa

Bajo estas condiciones la región de empobrecimiento o como hemos viste en artículos anteriores la unión de los materiales p y n disminuye permitiendo el libre flujo de electrones, por lo tanto, un diodo Zener en directa se comporta como cualquier otro diodo y varia su comportamiento según sus materiales o niveles de impurezas. En estas condiciones la temperatura juega un papel importante ya que el aumento de la temperatura hace que la tensión necesaria para encender el diodo disminuye y en caso contrario aumenta.

Bajo estas condiciones el número de portadores minoritarios del material p al n y el flujo de huecos del material tipo n al p no cambian ya que su nivel de conducción está definido directamente por las impurezas y nivel de dopaje del material.

 

Polarización en inversa

Si aplicamos una tensión positiva al material tipo n y negativa al material tipo p, los iones positivos aumentan en la región de empobrecimiento, de igual manera los iones negativos se incrementan en esta zona debido a la atracción de la tensión aplicada en ambos extremos.

Este estado de polarización es para lo cual están hechos los diodos Zener y consiste en llevar al diodo a la región Zener, pero teniendo extremo cuidado en no sobrepasar dicha región, ya que podríamos llegar al estado de avalancha y zona de ruptura provocando la destrucción del componente.

En esta región la zona de empobrecimiento aumenta, pero los electrones reciben suficiente energía cinética para romper esta barrera provocando flujo de corriente que depende de los materiales y nivel de dopaje del diodo.

Bajo estas características la resistencia interna del diodo es bastante considerable o grande que puede ser ignorada considerando al diodo Zener como un circuito abierto, y ya que en sus extremos tenemos un voltaje constante consideramos que es una fuente de voltaje en directa.

 

 

Resistencia de drenaje Rs en un Zener

Para evitar que sobrepasemos la corriente máxima en inversa, se coloca una resistencia en serie al diodo la cual limita el flujo de corriente en el Zener, ahora, si se conecta una carga en las terminales del diodo, la carga tendrá un voltaje constante por el simple hecho de estar conectada en paralelo y siempre y cuando la tensión supere el voltaje Zener y dado que la corriente en el Zener es despreciable, la mayor cantidad de corriente fluye hacia la carga.

Para calcular la resistencia de drenaje se utiliza la siguiente formula:

 

Resistencia de drenaje Rs

Donde

  • Vs es el voltaje de entrada al circuito
  • Vo el voltaje en la carga que a su vea es igual a Vz (voltaje Zener)
  • IL es la corriente que fluye en la carga
  • IZ es la corriente que fluye en el diodo Zener la cual comúnmente se establece en el el rango del 10 al 20 por ciento de la corriente IL

 

 

Efectos de la temperatura en el Zener

El diodo Zener es afectado por la temperatura como cualquier otro semiconductor y este efecto está definido en la siguiente ecuación.

 

Efectos de la temperatura en el Zener

 

Donde

  • T1 Nuevo nivel de temperatura
  • T0 Temperatura ambiente en un gabinete cerrado (25 °C)
  • TC es el coeficiente de temperatura
  • VZ es el potencial Zener nominal a 25 °C

 

Aplicaciones del diodo Zener, Ejemplo

Para poner en práctica lo que hemos aprendido vamos hacer un ejercicio que nos ayude a comprender mejor el funcionamiento de este semiconductor. Supongamos que queremos hacer lo siguiente, tenemos el circuito eléctrico de la figura que se encuentra mas abajo, donde tenemos:

  • Una entrada de voltaje de una pila de 12 Volts
  • Y tenemos un carga de 8 Ω a la que necesitamos aplicarle un voltaje de 5 volts aproximadamente
  • Además el diodo nos indica que que su voltaje es de 5.1 V ≈ 5 V (lo que tomaremos como 5 Volts) a 1 Watt de potencia

 

Circuito ejemplo diodo zener
Circuito ejemplo diodo Zener

 

 

Con los datos anteriores debemos diseñar un circuito que cumpla lo siguiente:

  • Calcular la resistencia de drenaje Rs, considerando a Iz al 10% de IL
  • Obtener la Potencia eléctrica de la resistencia Rs
  • Calcular la variación máxima y mínima con lo cual se mantendrá el voltaje de 5 volts en la carga

 

Solución del ejercicio

Lo primero que vamos a resolver es la obtención del valor de la resistencia de drenaje, para esto vamos a ocupar la formula que vimos anteriormente:

Rs = Vs - Vo / IL + Iz

Bien, en esta ecuación tenemos varias incógnitas, IL e Iz, sin embargo, sabemos que en la resistencia de carga debemos tener 5v y su valor es de 8 Ω, aplicando ley de Ohm tenemos lo siguiente:

IL = Vo / RL = 5 / 8 = 0.625 A

Ahora que ya conocemos el valor de IL vamos a obtener Iz el cual es el 10% de IL, por lo tanto:

Iz = IL * 0.1 = 0.0625 A

Excelente vamos bien, ahora ya podemos calcular el valor de nuestra Rs

Rs = (12 - 5) / 0.625 + 0.0625 = 7 / 0.6875 = 10.18 Ω ≈ 10 Ω 

Listo ya tenemos nuestro primer dato encontrado Rs = 10 Ω

Ahora antes de determinar la potencia debemos conocer la variación mínima y máxima que puede tener la entrada para que el circuito funcione correctamente, así que para esto lo que vamos hacer es despejar Vs de la formula que utilizamos para encontrar la corriente de drenaje.

Vs =  ( IL + Iz ) Rs + Vo

Y ¿Por qué la despejamos? Bien Iz no puede superar la corriente máxima para la cual esta diseñado y tampoco puede ser menor a 0, lo que indica que tenemos un valor mínimo y máximo para Iz.:

  • Mínimo de Iz = 0 A
  • Y el máximo según los datos de este ejemplo es Izmax = Pz / Vz = 1 w / 5.1 v = 0.196 A

Listo ya tenemos la variación de corriente del diodo Zener ahora con esto ya podemos calcular la variación de Vs con lo cual la regulación se mantiene, así que empecemos con el Vsmin

El valor del voltaje de entrada mínimo Vsmin dado que Iz = 0 A es:

Vsmin = (IL * Rs) + Vo = (0.625 * 10.18) + 5 = 11.34 Volts

El valor de voltaje de entrada máximo Vsmax dado que Iz = 0.196 A es:

Vsmax = (IL + Izmaz) Rs + Vo = ((0.625 + 0.196) * 10.18) + 5 = 13.35 Volts

Listo los valores máximos y mínimos para mantener la regulación en aproximadamente 5 Volts en la carga es de:

  • Vsmin = 11.34 Volts
  • Vsmax = 13.35 Volts

Y ¿Qué representan realmente estos valores? Bueno esto es más fácil de explicar una vez calculados, si la fuente aplica una tensión inferior a 11.34 volts el diodo Zener no conducirá.

Por otra parte, si la fuente aplica más de 13.35 volts, el diodo Zener puede quemarse ya que lo corriente que circulará en el excederá la máxima de fabricación y se destruirá.

Por ultimo solo queda calcular la potencia en la resistencia de drenaje Rs lo cual lo haremos de la siguiente manera:

Ps = (Vs - Vz) / Rs = (12 - 5.1) / 10.18 = 0.677 Watts

Esto valor es muy importante ya que poner una resistencia que solo cumpla los Ohm puede dañar todo el circuito, Ps = 0.677 watts con lo cual tendrás que utilizar una resistencia de 1 Watt.

 

Tablas de valores para Diodos Zener

Aquí te dejo algunas series de Zener con sus respectivos valores en Watts y voltaje, estaré subiendo información cada vez que tenga nuevos datos, así que no olvides en regresar.

 

Potencia 0.5 Watts Potencia 1 Watts Potencia 5 Watts
1N746 - 3.3 V 1N4728 - 3.3 V 1N5333 - 3.3 V
1N747 - 3.6 V 1N4729 - 3.6 V 1N5334 - 3.6 V
1N748 - 3.9 V 1N4730 - 3.9 V 1N5335 - 3.9 V
1N749 - 4.3 V 1N4731 - 4.3 V 1N5336 - 4.3 V
1N750 - 4.7 V 1N4732 - 4.7 V 1N5337 - 4.7 V
1N751 - 5.1 V 1N4733 - 5.1 V 1N5338 - 5.1 V
1N752 - 6.2 V 1N4734 - 5.6 V 1N5339 - 5.6 V
1N753 - 6.2 V 1N4735 - 6.2 V 1N5340 - 6 V
1N754 - 6.8 V 1N4736 - 6.8 V 1N5341 - 6.2 V
1N755 - 6.8 V 1N4737 - 7.5 V 1N5342 - 6.8 V
1N756 - 6.8 V 1N4738 - 8.2 V 1N5343 - 7.5 V
1N757 - 6.8 V 1N4739 - 9.1 V 1N5344 - 8.2 V
1N758 - 6.8 V 1N4740 - 10 V 1N5345 - 8.7 V
1N759 - 12 V 1N4741 - 11 V 1N5346 - 9.1 V
1N962 - 11 V 1N4742 - 12 V 1N5347 - 10 V
1N964 - 13 V 1N4743 - 13 V 1N5348 - 11 V
1N965 - 15 V 1N4744 - 15 V 1N5349 - 12 V
1N966 - 16 V 1N4745 - 15 V 1N5350 - 13 V
1N967 - 18 V 1N4746 - 18 V 1N5351 - 14 V
1N968 - 20 V 1N4747 - 20 V 1N5352 - 15 V
1N969 - 22 V 1N4748 - 22 V 1N5353 - 16 V
1N970 - 24 V 1N4749 - 24 V 1N5354 - 17 V
1N971 - 27 V 1N4750 - 27 V 1N5355 - 18 V
1N972 - 30 V 1N4751 - 30 V 1N5356 - 19 V
1N973 - 33  V 1N4752 - 33 V 1N5357 - 20 V
1N974 - 36 V 1N4753 - 36 V 1N5358 - 22 V
1N975 - 39 V 1N4754 - 39 V 1N5359 - 24 V
1N976 - 43 V 1N4755 - 43 V 1N5360 - 25 V
1N977 - 47 V 1N4756 - 47 V 1N5361 - 27 V
1N978 - 51 V 1N4757 - 51 V 1N5362 - 28 V
1N979 - 56 V 1N4758 - 56 V 1N5363 - 30 V
1N980 - 62 V 1N4759 - 62 V 1N5364 - 33 V
1N981 - 68 V 1N4760 - 68 V 1N5365 - 36 V
1N982 - 75 V 1N4761 - 75 V 1N5366 - 39 V
1N983 - 82 V 1N4762 - 82 V 1N5367 - 43 V
1N984 - 91 V 1N4763 - 91 V 1N5368 - 47 V
1N985 - 100 V 1N4764 - 100 V 1N5369 - 51 V

 

 

 

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Juan Carlos G

Electrónica y diseño web


Cree este blog para compartir uno de los temas que más me apasionan que es la electrónica, por lo tanto, además de tutoriales de electrónica, encontrarás en algunas páginas recomendaciones de productos relacionados a los LED principalmente.

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