¿Cómo funciona un diodo zener?

Un diodo Zener es un dispositivo semiconductor de silicio que permite que la corriente fluya en dirección directa o inversa. El diodo consiste en una unión pn especial, muy dopada, diseñada para conducir en la dirección inversa cuando se alcanza un determinado voltaje especificado.

El diodo Zener tiene un voltaje de ruptura inversa bien definido, en el cual comienza a conducir corriente y continúa operando continuamente en el modo de polarización inversa sin dañarse. Además, la caída de voltaje a través del diodo permanece constante en una amplia gama de voltajes, una característica que hace que los diodos Zener sean adecuados para su uso en la regulación de voltaje.

Operación de diodo Zener

El diodo Zener funciona igual que el diodo normal cuando está en el modo de polarización directa y tiene un voltaje de encendido de entre 0.3 y 0.7 V. Sin embargo, cuando está conectado en el modo inverso, lo cual es habitual en la mayoría de sus aplicaciones, un pequeña corriente de fuga puede fluir. A medida que el voltaje inverso aumenta al voltaje de ruptura predeterminado (Vz), una corriente comienza a fluir a través del diodo. La corriente aumenta a un máximo, que está determinada por la resistencia en serie, después de lo cual se estabiliza y permanece constante en un amplio rango de voltaje aplicado.

Desglose de Zener

La ruptura se debe al efecto de ruptura de Zener que ocurre por debajo de 5.5 V, o la ionización de impacto que ocurre por encima de 5.5 V. Ambos mecanismos dan como resultado el mismo comportamiento y no requieren circuitos diferentes; sin embargo, cada mecanismo tiene un coeficiente de temperatura diferente.

El efecto Zener tiene un coeficiente de temperatura negativo mientras que el efecto de impacto experimenta un coeficiente positivo. Los dos efectos de temperatura son casi iguales a 5,5 V y se cancelan entre sí para hacer que los diodos Zener con una clasificación de alrededor de 5,5 V sean los más estables en un amplio rango de condiciones de temperatura.

Especificaciones del diodo Zener

Los diodos Zener varían en especificaciones tales como voltaje de trabajo nominal, disipación de potencia, corriente inversa máxima y empaque. Algunas especificaciones de uso común incluyen:

• Voltaje Vz: El voltaje de Zener se refiere al voltaje de ruptura inversa: 2.4 V a aproximadamente 200 V; puede subir hasta 1 kV mientras que el máximo para el dispositivo montado en superficie (SMD) es de aproximadamente 47 V).
• Corriente Iz (máx.): Corriente máxima a la tensión nominal de Zener Vz — 200 uA a 200 A).
• Corriente Iz (min.): Corriente mínima requerida para que el diodo se descomponga: 5 mA y 10 mA.
• Potencia nominal: la potencia máxima que el diodo Zener puede disipar; dado por el producto del voltaje a través del diodo y la corriente que fluye a través de él. Los valores típicos son 400 mW, 500 mW, 1 W y 5 W; para montaje en superficie, son típicos 200 mW, 350 mW, 500 mW y 1 W.
• Tolerancia de voltaje: típicamente ± 5%.
• Estabilidad de temperatura: los diodos de alrededor de 5 V tienen la mejor estabilidad.
• Paquete: Los dispositivos con plomo y la superficie se montan como dispositivos discretos o dentro de circuitos integrados.
• Resistencia Zener (Rz): el diodo exhibe cierta resistencia como se evidencia por las características IV.

Aplicaciones de diodos Zener

Los diodos Zener se utilizan para la regulación de voltaje, como elementos de referencia, supresores de sobretensión y en aplicaciones de conmutación y circuitos de corte.

Regulador de voltaje

El voltaje de carga es igual al voltaje de ruptura VZ del diodo. La resistencia en serie limita la corriente a través del diodo y cae el exceso de voltaje cuando el diodo está conduciendo.

Diodo Zener en protección contra sobretensiones

Si el voltaje de entrada aumenta a un valor superior al voltaje de ruptura de Zener, la corriente fluye a través del diodo y crea una caída de voltaje a través de la resistencia; Esto activa el SCR y crea un cortocircuito a tierra. El cortocircuito abre el fusible y desconecta la carga del suministro.

Circuitos de recorte de diodos Zener

Los diodos Zener se utilizan para modificar o dar forma a los circuitos de recorte de forma de onda de CA. El circuito de recorte limita o corta partes de uno o ambos de los medios ciclos de una forma de onda de CA para dar forma a la forma de onda o proporcionar protección .

Lo siento, no pude encontrar una mejor imagen.

Fuente: – libro de ingeniería eléctrica.

El diodo Zener es un tipo especial de diodo que permite el flujo de corriente en la dirección hacia adelante, así como en la dirección inversa cuando el voltaje está por encima de un cierto voltaje conocido como ruptura o voltaje Zener.

Diodo Zener trabajando:

Cuando polarizamos hacia adelante el diodo Zener, se comporta como un diodo de señal normal debido a la caída de voltaje directo de 0.7 V que sigue a la ecuación del diodo. En el modo de polarización inversa, el diodo Zener no conduce hasta que el voltaje aplicado excede o alcanza un cierto voltaje, es decir, el voltaje Zener en el que el diodo puede conducir corriente hasta el nivel especificado sin dañar el dispositivo. Cuando la corriente comienza a fluir a través del diodo, aumenta rápidamente al valor máximo del circuito y una vez que esta corriente se logre, permanecerá constante en un amplio rango de voltajes aplicados. El punto de voltaje en el que el voltaje a través del diodo Zener se estabiliza se conoce como voltaje Zener, que varía de menos de un voltios a cien voltios.

En nuestro artículo explicamos el funcionamiento del diodo zener, las características, la aplicación como regulador, las ventajas, el trabajo en detalle. Para obtener más información, haga clic abajo:

Diodo Zener

El diodo Zener es como un diodo normal, con una excepción, están muy dopados y están hechos de tal manera que pueden disipar una gran cantidad de calor y no se destruyen incluso cuando la alta corriente los atraviesa. Además, su área de agotamiento es relativamente delgada y, por lo tanto, su voltaje de ruptura inversa puede ser bastante específico .

Normalmente se utilizan en polarización “inversa” en serie con una resistencia cuando no deberían ser conductoras debido a la polarización inversa. Pero incluso en polarización inversa si aumenta el voltaje (i, e campo eléctrico) en un diodo alrededor de un cierto umbral, entonces los electrones a ese alto voltaje (i, e en campo eléctrico) ganan mucha energía y eliminan más electrones de la red por colisión y, por lo tanto, crea un enorme flujo de exceso o avalancha de electrones, un proceso llamado “Desglose de avalanchas”. Recuerde que esta llamada “descomposición” conduce a la generación de una gran cantidad de calor y, por lo tanto, la temperatura conduce al daño irreversible en el caso de un diodo normal. Mientras que un diodo Zener puede resistir el aumento de corriente y no dañarse. Este efecto de avalancha ocurre principalmente en un diodo ligeramente dopado (con un área de agotamiento que es relativamente larga). Pero el diodo Zenner es un diodo muy dopado y su área de agotamiento es relativamente delgada, por lo que la mayoría de los electrones no pueden acelerar lo suficiente a través de esta área de agotamiento delgada, más bien la mayoría del túnel de electrones (un proceso mecánico cuántico) a través de esta unión delgada muy dopada y crear una enorme oleada de electrones, un proceso llamado descomposición de Zener. En un diodo Zenner práctico, uno o ambos procesos (Avalanche o Zener) pueden estar presentes.

Tales procesos conducen al gran aumento de corriente a través del diodo zener, pero al mismo tiempo la resistencia del diodo zenner disminuye, pero dicho aumento de corriente y disminución de resistencia son proporcionales, de modo que el producto Uout = (corriente) x ( resistencia zenner) permanece constante. Entonces, si Uin aumenta o disminuye, el zenner se asegura de que la corriente a través del zenner aumente o disminuya (mientras que la resistencia del zenner disminuye o aumenta) pero siempre el producto = corriente x resistencia = Uout = caída de voltaje a través del zenner permanece constante.

Por lo tanto, obtiene un voltaje constante o regulado (Uout) de un voltaje de CC variable o no regulado (Uin) y dicha regulación se mantiene automáticamente.

El diodo Zener funciona como diodo de unión PN normal cuando está polarizado hacia adelante. Pero, cuando se trata de un sesgo inverso, pocas cosas deben considerarse.

Desglose de Zener

Voltaje Zener

Potencia nominal

Entonces, básicamente, el diodo zener es un diodo de unión PN fuertemente dopado . En el caso de la polarización inversa inicialmente, a medida que aumenta el voltaje inverso no hay aumento en la corriente. Pero, todavía existe una pequeña cantidad de corriente llamada corriente de saturación inversa que se debe a los portadores de carga minoritarios. Habrá un campo electrostático desarrollado en la unión debido al voltaje de polarización inversa. Pero espere “¿hasta qué punto puede aumentar el voltaje de polarización inversa” ?

A medida que aumenta el voltaje de polarización inversa en algún voltaje inverso particular, los electrones se rompen directamente de sus enlaces covalentes y los liberan. Esto se conoce como desglose zener. Debido a la ruptura de los enlaces covalentes, los electrones se liberan y la corriente aumenta a una velocidad muy alta. ¿Pero qué hay del voltaje?

Si nos referimos a la curva de características inversas, hay algo llamado corriente de rodilla (Izk) y el voltaje correspondiente es Vzk. Debajo de este punto, Izk, la pendiente es casi cero y la resistencia es muy alta, por lo tanto, el diodo zener es casi como un circuito abierto. Entonces, antes de que se alcance Vzk, no se produce el fenómeno de descomposición.

Ahora, si extendemos la curva (donde la pendiente es casi lineal, es decir, cuando se produce la ruptura de Zener), se intersecta con el eje x en el punto Vzo. Vemos que Vzo y Vzk de ese punto están muy cerca. Ahora, si consideramos algún punto ‘P’ con corriente Iz y voltaje Vz como se muestra en la imagen, encontramos que Vz = Vzo + Iz * rz (la región bw Vzo y Vz, es decir, la caída en la resistencia zener). ‘Vz’ no es más que el voltaje a través del diodo zener. Dado que rz es muy pequeño (desde la curva encontramos que para un aumento muy pequeño en el voltaje hay un aumento considerable en la corriente, lo que implica que la resistencia es muy pequeña). De modo que podemos aproximar Vz = Vzo (la caída de Iz * rz puede descuidarse) Entonces, una vez que se produce la ruptura de Zener, el voltaje a través del diodo Zener es una caída de voltaje constante Vz . En otras palabras, una vez que se ha producido la ruptura de Zener, el voltaje a través del diodo Zener está bloqueado y es igual a Vz = Vzo.

Así es como funciona el diodo zener. Además, el diodo zener tiene una capacidad de disipación de potencia máxima (que es mayor en comparación con los diodos normales para que podamos usar el diodo zener en la región de ruptura de zener) que no se debe exceder.

Los diferentes materiales de los que está hecho un diodo Zener tienen diferentes potenciales de superficie y potenciales de descomposición debido a sus materiales naturales y antidopaje añadidos.

El diodo Zener es equivalente a una válvula de agua mecánica con un diafragma polarizado por resorte ligero, donde la característica del resorte decide la característica de apertura fácil. El hecho de que el diafragma se abra cuando la diferencia de presión es baja en una dirección y no en la otra, se debe a que el resorte no lineal de baja presión o la característica de alivio de baja presión sesgan el diafragma, que podría ser tan no lineal como el de un diodo ordinario, incluido el diodo zener. Entonces, cuando la diferencia de presión es en una dirección, el flujo fácil de baja presión depende del resorte de polarización suave, mientras que en la dirección inversa, el flujo en la válvula depende de la característica de la resistencia del material del diafragma si el diafragma no está más modificado.

Si el diafragma convencional que se encuentra en una válvula mecánica de agua (o en un diodo convencional) está hecho para contener una válvula de alivio inversa de alta presión, entonces se pueden hacer ‘diafragmas especiales’ para descargar rápidamente el agua en dirección inversa a alta presión , que es equivalente a la característica y operación de voltaje constante del diodo ZENER convencional, donde la alta presión inversa abre la válvula de descarga de alivio de alta presión dependiendo del valor de un resorte diferente que actúa sobre la válvula de descarga de alivio de alta presión.

El funcionamiento de un diodo zener radica en la causa de la ruptura de un diodo en condiciones de polarización inversa. Normalmente hay dos tipos de averías: Zener y Avalanche.

Desglose de Zener:

Este tipo de ruptura ocurre para un voltaje de polarización inversa entre 2 a 8V. Incluso a este bajo voltaje, la intensidad del campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para ejercer una fuerza sobre los electrones de valencia del átomo de modo que se separen de los núcleos. Este tipo de ruptura ocurre normalmente para diodos altamente dopados con bajo voltaje de ruptura y mayor campo eléctrico. A medida que aumenta la temperatura, los electrones de valencia ganan más energía para interrumpirse del enlace covalente y se requiere menos cantidad de voltaje externo. Así, el voltaje de ruptura de Zener disminuye con la temperatura.

Desglose de avalanchas:

Este tipo de ruptura ocurre en el voltaje de polarización inversa por encima de 8V y más. Ocurre para diodos ligeramente dopados con gran voltaje de ruptura. A medida que los portadores de carga minoritarios (electrones) fluyen a través del dispositivo, tienden a chocar con los electrones en el enlace covalente y hacen que el enlace covalente se rompa. A medida que aumenta el voltaje, la energía cinética (velocidad) de los electrones también aumenta y los enlaces covalentes se rompen más fácilmente, lo que provoca un aumento en los pares de electrones. El voltaje de ruptura de la avalancha aumenta con la temperatura.

Fuente: https://www.elprocus.com/how-doe …

El silicio está dopado para proporcionar un voltaje de ruptura inversa muy específico y muy preciso, que también es muy bajo en comparación con los diodos rectificadores de silicio normales.

Los Zeners se operan en el modo inverso, no con polarización directa. Cuando se aplica el voltaje inverso, la corriente fluye a través del diodo (modo de ruptura), y si intenta aplicar un voltaje más alto, el diodo simplemente extraerá más corriente, manteniendo ese voltaje de ruptura.

Puede comprar diodos zener en una variedad de voltajes fijos en cualquier lugar desde 2.7 voltios, hasta 150 voltios. Los zeners de 5,6 voltios y 6,2 voltios son valores comunes.

Algunos zeners se clasifican como reguladores. Están clasificados para alta potencia (0.5W, 1W, 5W, 10W y más). Pueden manejar mucha corriente y se utilizan como reguladores de la fuente de alimentación para mantener cualquier voltaje para el que esté clasificado el zener.

Algunos zeners se clasifican como referencias. No están diseñados para manejar mucha energía, sino una corriente baja constante (como 1 mA) para proporcionar un voltaje de referencia estable para otros componentes. La mayoría de los zeners de referencia también son muy estables a la temperatura, proporcionando un voltaje de referencia preciso.

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Cuando un diodo de unión pn está altamente dopado, la concentración de átomos de impurezas será alta en el cristal. Esta mayor concentración de átomos de impurezas causa la mayor concentración de iones en la capa de agotamiento, por lo tanto, para el mismo voltaje aplicado con polarización inversa, el ancho de la capa de agotamiento se vuelve más delgado que en un diodo dopado normalmente. Debido a esta capa de agotamiento más delgada, el gradiente de voltaje o la intensidad del campo eléctrico a través de la capa de agotamiento es bastante alto. Si se continúa aumentando el voltaje inverso, después de cierto voltaje aplicado, los electrones de los iones salen de los iones de impurezas originales y hacen que la capa de agotamiento sea conductiva. Este desglose se llama desglose de Zener. El voltaje al que ocurre esta falla se llama voltaje zener.

Gracias por A2A.

Ya hay una respuesta bastante detallada.

Aunque hay una cosa que se puede agregar.

El diodo de unión pn no tiene que ser Si. Puede ser Ge o GaAs o AlGaAs o cualquier otro semiconductor adecuado que esté muy dopado.

Un diodo zener es como una válvula de alivio que expulsa el fluido cuando la presión alcanza la clasificación de la válvula, o permanece cerrada de lo contrario, sujetando efectivamente la presión a la clasificación de la válvula.

El Zener es un diodo con un voltaje de ruptura controlado, también conocido como “voltaje zener”. La unión PN permanece en circuito abierto para cualquier voltaje inverso menor que el voltaje zener, y cambie a conducción completa de lo contrario, manteniendo el voltaje en no más que el voltaje zener.

En realidad, el diodo zener funciona en condiciones de polarización inversa …

Significa que cuando se conecta el terminal positivo (fuente de alimentación) al cátodo del diodo zener y el terminal negativo al ánodo, entonces es polarización inversa.

Por lo tanto, en condiciones de polarización inversa, el diodo zener proporciona voltaje constante a través de él (Vz especificado en su hoja de datos) para que pueda usarse como un regulador de voltaje en la fuente de alimentación de CC.

Gracias.

Comente aquí sus consultas adicionales.

El diodo Zener puede funcionar como un regulador de voltaje si se introduce en un circuito. La salida a través del diodo será constante. Es impulsado por una fuente actual. Como sabemos si el voltaje a través del diodo excede un cierto valor, extraería una corriente excesiva del suministro.