el diodo zener

El diodo Z en eres un diodo de cromo que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas, recibe ese nombre por su inventor, el Dr. Clarence Melvin Zener. 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.

Si a un diodo Zener se le aplica una corriente eléctrica del ánodo al cátodo (polarización directa) toma las características de un diodo rectificador básico (la mayoría de casos), pero si se le suministra corriente eléctrica de cátodo a ánodo (polarización inversa), el diodo solo dejara pasar una tensión constante. En conclusión: el diodo Zener debe ser polarizado al revés para que adopte su característica de regulador de tensión

Simbolo

Su símbolo es como el de un diodo normal pero con el cátodo modificado:

Sin embargo, es posible encontrar variaciones del símbolo del zener, como son:

Polarización

Cuando el diodo esta en polarización directa se comporta como un diodo rectificador, pero cuando el diodo esta polarizado inversamente, una pequeña corriente circula por él, llamada corriente de saturación IS, esta corriente permanece relativamente constante mientras aumentamos la tensión inversa hasta que el valor de ésta alcanza VZ, llamada tensión Zener (que no es la tensión de ruptura zener), para la cual el diodo entra en la región de colapso. La corriente empieza a incrementarse rápidamente por el efecto avalancha. En esta región pequeños cambios de tensión producen grandes cambios de corriente. El diodo zener mantiene la tensión prácticamente constante entre sus extremos para un amplio rango de corriente inversa.

Características Técnicas:

Notación

La notación americana empieza en 1N, por ejemplo 1N4730

La notación europea empieza en ZD p ZPD, por ejemplo: ZPD12

Curva característica

1. VZ nom, VZ : Tensión nominal del zener (tensión en cuyo entorno trabaja adecuadamente el zener).

2. IZ min Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de disrupción (VZ min).

3. IZ max Máxima corriente inversa que puede atravesar el diodo a partir de la cual el dispositivo se destruye (VZ max).

4. PZ : Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente. Aproximadamente se corresponde con el producto de VZ nom Y Iz max.

Observaciones

Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

1. Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular una corriente inversa mayor o igual a IZ min.

2. La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que IZ max.

3. La potencia nominal PZ que puede disipar el zener ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito.

Filtrado por condensador

Calculo del condensador para obtener un rizado del 10%

Calculo del condensador para obtener un rizado del 7%

Ejemplo:

Se desea diseñar una fuente de alimentación para un circuito que consume 150 mA. El rizado deberá ser inferior al 10%. Para ello se dispone de un transformador de 220/10 y un rectificador en puente. Elegir el valor del condensador:

1.- Calculamos la Vmax de salida del puente rectificador teniendo en cuenta la caída de tensión en los diodos (conducen dos a dos).

Esta será aproximadamente la tensión de salida de la fuente.

2.- Calculamos el valor del condensador según la fórmula del 10%, la I es de 150 mA la ƒ es 60 Hz en Perú y la Vmax es 12,74 V:

Tomaremos el valor más aproximado por encima es decir 1000 µF.

Factor de rizado

Ejemplo

Calcular el factor de rizado si las mediciones realizadas en una fuente de alimentación son:

Voltaje DC en la salida (Lectura obtenida con un Voltímetro DC) = 10 V.

Voltaje pico-pico del rizado (Lectura dada por el Osciloscopio) = 1,2 V

Filtros RC.

Antes de los años setenta se conectaban filtros pasivos entre el condensador del filtro y la carga para reducir el rizado a menos del 1%.

La intención es obtener una tensión continua casi perfecta, similar a la que proporciona una pila. En la actualidad es muy raro ver filtros pasivos en diseños de circuitos nuevos, es más común usar circuitos estabilizadores de tensión. Sin embargo estos estabilizadores tienen sus limitaciones y es posible que no quede más remedio que usar un filtro pasivo.

La figura muestra dos filtros RC entre el condensador de entrada y la resistencia de carga. El rizado aparece en las resistencias en serie en lugar de hacerlo en la carga. Valores adecuados para las resistencias y los condensadores son:

R = 6,8 ohms, C = 1000 µF

Con estos valores cada sección atenúa el rizado en un factor de 10, se coloca una, dos, o tres secciones RC.

La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeñas. Es útil si se tiene un circuito digital controlando relés, estos relés crean ruidos en la alimentación provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una sección de este filtro para la alimentación digital se soluciona el problema.

Filtros LC.

Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC de la figura presentan una mejora con respecto a los filtros RC. La idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, bobinas en este caso. Además, la caída de tensión continua en las bobinas es menor porque solo intervienen la resistencia de los devanados.

Los condensadores son de 1000 µF y las bobinas entre más grandes mejor. Normalmente estas últimas ocupan casi tanto espacio como el transformador, de hecho, parecen transformadores, con una sola sección se reduce el rizado hasta niveles bajísimos.

Parámetros.

Fuentes de Alimentación No Reguladas

Las fuentes no reguladas, son aquellas en las cuales el voltaje de salida permanece constante por lo general constan de un transformador, un rectificador (por lo general tipo puente) y un filtro (que en el caso de las fuentes en el rango de voltajes y potencias bajas es puramente capacitivo).

Fuentes de alimentación reguladas.

Por filtro de Condensador

Por diodo Zéner.

Por regulador de la serie 78XX.

Por regulador de la serie 79XX.

Por regulador LM317.

El LM317 es un regulador de tensión positivo con sólo 3 terminales y con un rango de tensiones de salida desde los 1.25 hasta 37 voltios.

Las patillas son: Entrada (IN), Salida (OUT), Ajuste (ADJ)

Para lograr esta variación de tensión sólo se necesita de 2 resistencias externas (una de ellas es una resistencia variable).

Entre sus principales características se encuentra la limitación de corriente y la protección térmica contra sobrecargas. La tensión entre la patilla ADJ y OUT es siempre de 1.25 voltios (tensión establecida internamente por el regulador) y en consecuencia la corriente que circula por la resistencia R1 es:

Esta misma corriente es la que circula por la resistencia R2. Entonces la tensión en R2:

Si se sustituye IR1 en la última fórmula se obtiene la siguiente ecuación:

Como la tensión de salida es:

Entonces

Simplificando (factor común)

De esta última fórmula se ve claramente que si modifica R2 (resistencia variable), se modifica la tensión Vout. En la fórmula anterior se ha despreciado la corriente (IADJ) que circula entre la patilla de ajuste (ADJ) y la unión de R1 y R2. Esta corriente se puede despreciar, tiene un valor máximo de 100 uA y permanece constante con la variación de la carga y/o de la tensión de entrada. Para mejorar la regulación el resistor R1 se debe colocar lo más cercano posible al regulador, mientras que el terminal que se conecta a tierra del resistor R2 debe estar lo más cercano posible a la conexión de tierra de la carga

Optimización del funcionamiento del regulador de voltaje LM317

Con el propósito de optimizar el funcionamiento del regulador se pueden incorporar al diseño algunos elementos adicionales.

Se pone un capacitor C1 de 0.1uF en la patilla de entrada (IN) si el regulador se encuentra alejado del bloque que se encarga de la rectificación.

Se pone un capacitor C3 de 1 uF de tantalio o 25 uF electrolítico en la patilla de salida (OUT) con el propósito de mejorar la respuesta a transitorios

Se pone un capacitor electrolítico de 10 uF (C2) en paralelo con R2 con el propósito de mejorar el rechazo del rizado.

Se pone un diodo D1 (1N4001) para proteger el regulador contra posibles cortos circuitos en la entrada del regulador.

Se pone un diodo D2 (1N4001) para proteger al regulador contra posibles cortos circuitos en la salida al dar camino a la descarga de capacitores.

Nota: R1 = 240 Ohmios y R2 = 5 Kilohmios (potenciómetro)

Esquema de fuentes de alimentación regulada por regulador LM 317