¿Cómo regula el voltaje un diodo Zener?

Todos los materiales tienen un potencial de superficie cuyo valor depende de su estructura atómica interna. Cuando dos materiales que forman un diodo están hechos para tocarse entre sí en una unión, estos potenciales de superficie diferentes luchan para crear una diferencia de potencial similar a la de una batería. Si se aplica un potencial externo en cualquier dirección, esto puede ayudar u oponerse al potencial interno en la unión, lo que da como resultado diferentes valores de flujos direccionales. La unión formada entre dos materiales puede romperse en la dirección hacia adelante o hacia atrás dependiendo de los materiales utilizados, y normalmente debido a la diferencia del material utilizado donde la ruptura en diferentes direcciones ocurre a diferentes voltajes debido a lo que se indica en la receta de la sopa formando los dos materiales semiconductores.

Esto es equivalente a una válvula de agua mecánica unidireccional con un diafragma polarizado por resorte donde la característica del resorte decide la característica de apertura. 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 la característica de resorte de baja presión que sesga el diafragma, que podría hacerse no lineal como el de un diodo ordinario, incluido el diodo zener. Entonces, cuando la diferencia de presión es en una dirección, el flujo depende de la característica del resorte de polarización, mientras que en la dirección inversa, el flujo en la válvula depende de la característica de la resistencia del diafragma.

Es interesante que si el diafragma convencional se encuentra en una válvula mecánica de agua, está hecho para contener otra válvula de alivio de presión, se puede hacer que este diafragma especial descargue el agua en la dirección inversa a alta presión, que es equivalente al ZENER convencional funcionamiento y diodo de diodo, donde la presión inversa abre la válvula de descarga de alivio dependiendo del valor de un resorte diferente que opera la válvula de descarga de alivio.

En la versión electrónica del diodo zener, si se desea un Zener de mayor potencia, siempre se puede conectar un zener de baja potencia a través de los terminales del colector base de un transistor BJT con la polaridad correcta, para reemplazar el zener original. ¡El resultado tendrá un efecto zener ligeramente más alto pero tomará mucha más corriente destruirlo!

Las analogías entre el agua y los dispositivos de corriente eléctrica no siempre cumplen con toda la equivalencia, pero en esta analogía de un resorte de polarización para mantener la conducción hacia adelante y para aliviar y descargar el flujo en la dirección inversa se puede hacer que tenga toda la no linealidad en el Diodo Zener electrónico.

Dado que las características de polarización inversa del diodo zener son tales que, después de cierta corriente inversa de la corriente de rodilla, el voltaje del diodo permanece bastante constante a pesar de que la corriente a través del diodo cambia. Por lo tanto, este tipo de característica es útil para la regulación. La regulación se define como el cambio en el voltaje de salida frente a la corriente de carga y el voltaje de entrada. Entonces, si la corriente de carga y el voltaje de entrada cambian, estos cambios se compensan permitiendo más / menos corrientes en el diodo zener (si estas corrientes son mayores que la corriente de rodilla) y haciendo que el voltaje sea constante.

Este regulador se usa cuando el voltaje estable requerido es mayor a 2V. Si el voltaje requerido es inferior a 2 V, el diodo zener no puede proporcionar polarización inversa porque, a estos bajos voltajes, el voltaje no puede ser constante para diferentes cambios en la corriente. En estas situaciones, podemos usar características directas y este tipo de diodo se conoce como STABISTOR, donde las regulaciones pueden obtenerse tan bajas como 0.5V a 5V.

Si ve las características del diodo zener, en polarización inversa después del punto de ruptura, independientemente de la corriente, el voltaje se vuelve constante (casi constante). Debido a estas características, podemos usar diodos zener en polarización inversa para el regulador de voltaje.

Pero cómo,

Tomemos un ejemplo.

El voltaje de ruptura del diodo zener es de 5v y el suministro es de 6v. Entonces la corriente aumentará a través de rs. Por lo tanto, la caída de voltaje será alta y el voltaje en Zener será inferior a 6v. La corriente se establecerá a tal valor que el voltaje a través del diodo zener es de 5v.

En otras palabras, debido al cambio de diodo zener en el voltaje de suministro dará como resultado un cambio en la corriente de tal manera que el cambio en la caída de voltaje a través de Rs es igual al cambio en el voltaje de suministro. Entonces el voltaje a través del diodo zener es constante.

Podemos conectar nuestros electrodomésticos en paralelo al diodo zener para obtener un suministro de voltaje constante.

El inconveniente del circuito es que la energía se desperdiciará debido a la caída de voltaje a través de las resistencias. Entonces la eficiencia es pobre.

El término diodo Zener se refiere a una familia de diodos que tienen características terminales como esta:

En la dirección hacia adelante (a la izquierda del origen en el gráfico) el diodo conduce como cualquier otro. En la dirección inversa, no se conduce hasta alcanzar un voltaje bien definido [matemática] V_B [/ matemática], en cuyo punto la unión comienza a conducir muy rápidamente, formando una rodilla afilada. A medida que aumenta la corriente, el voltaje permanece casi constante. Estos diodos están disponibles con una amplia gama de voltajes de ruptura, aunque los voltajes de alrededor de 6 voltios son más comunes porque en este rango el coeficiente de temperatura del voltaje de ruptura es cercano a cero.

Un regulador simple podría hacerse así:

Aquí la corriente se alimenta desde un voltaje más alto a través de una resistencia al diodo zener. Como la corriente de carga varía, la corriente a través del diodo zener varía inversamente. Debido a la pendiente casi vertical de la curva de ruptura de Zener, el voltaje de salida [matemática] V_O [/ matemática] varía muy poco. Esto podría proporcionar una regulación adecuada para algunos propósitos, pero es bastante ineficiente.

Un regulador más eficiente y efectivo utiliza el diodo zener como referencia de voltaje con un amplificador y elemento regulador por separado.

El voltaje filtrado pero no regulado se suministra en [math] V_i [/ ​​math] y suministra una pequeña corriente al diodo zener. La tensión de salida [matemática] V_O [/ matemática] se divide a través del divisor de tensión [matemática] R_2 [/ matemática] y [matemática] R_1 [/ matemática] con estas dos resistencias elegidas de tal manera que a la tensión de salida deseada la salida de El divisor de voltaje es igual al voltaje de ruptura del diodo Zener. Si por alguna razón el voltaje de salida cae, entonces el voltaje de salida del amplificador A aumenta, aumentando la señal al transistor T hasta que el voltaje de salida vuelve al valor esperado.

Se pueden utilizar otras técnicas para construir circuitos reguladores, incluidos los diseños de conmutación. Independientemente de los detalles del circuito regulador, necesitará una referencia de voltaje, y un diodo Zener se usa comúnmente para esta función.

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¡Es sencillo! 🙂
Un diodo normal pasa corriente solo en una dirección -> polarización directa. En polarización inversa, no hay corriente incluso si aumenta el voltaje … hasta que sea tan alto que la barrera se rompa.

En el diodo Zener, esta falla ocurre a un voltaje muy bajo. Entonces se usa en polarización inversa.

Su uso como regulador de voltaje: –

¡El voltaje a través de un diodo zener es siempre constante! y es igual a su voltaje de ruptura. Digamos, un diodo Zener que se descompone a 5V tendrá 5V a través de él, incluso si le aplica 12v. Los 7v restantes estarán en la resistencia en serie (Rs). Entonces, cualquier carga (resistencia RL) paralela al diodo zener tendrá esa constante de 5v a través de él. Por lo tanto, obtienes una fuente de voltaje constante.

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El diodo Zener mantiene un voltaje constante a través de la descomposición inversa. Después de la ruptura, el voltaje permanece constante a pesar de que hay un aumento en la corriente.

Para una mejor comprensión, suponga que el diodo Zener tiene un interruptor.

Un interruptor puede estar abierto o cerrado en un circuito.

En circuito abierto, el voltaje es máximo y la corriente es cero (mínimo)

En cortocircuito, el voltaje es cero (mínimo) y la corriente es máxima.

El diodo Zener actúa como un interruptor abierto hasta el voltaje de ruptura y actúa como un interruptor cerrado después del voltaje de ruptura.

Nota: Los voltajes de ruptura pueden variar según los diferentes tipos de diodos zener.

El regulador de voltaje es un dispositivo que proporciona un voltaje constante y regulado en la salida, independientemente de las variaciones en el voltaje de alimentación. El diodo Zener se utiliza como regulador en los circuitos electrónicos en voltaje inverso. Su propiedad para regular el voltaje se debe a sus características.

Podemos ver que después de un cierto voltaje en el voltaje inverso, el voltaje a través del diodo permanece constante para grandes variaciones en la corriente, lo que se llama regulación. A continuación se muestra el circuito de Zener como regulador de voltaje.

Hay un cierto valor de voltaje V y resistencia R en el cual el diodo opera en la región de ruptura. El valor del voltaje y la resistencia es para que el diodo en la región de ruptura. En el circuito, el voltaje zener Vz es también el voltaje a través de la carga Rl.

Ahora estudiemos cómo el diodo regula el voltaje en estas condiciones. El diodo regula el voltaje a través de la carga porque en la región de ruptura, las grandes variaciones en la corriente de diodo producen solo pequeñas variaciones (casi constantes) en el voltaje del diodo, ya que el gráfico en las características es casi constante en la región de ruptura. De esta manera, el diodo regula el voltaje.

Un diodo Zener es un componente electrónico que puede usarse para hacer un circuito regulador de voltaje muy simple. Este circuito permite tomar un voltaje estable fijo de una fuente de voltaje inestable, como el banco de baterías de un sistema de energía renovable que fluctuará dependiendo del estado de carga del banco.

Circuito regulador de voltaje de diodo Zener

La imagen de arriba es un circuito regulador de voltaje muy simple que requiere solo un diodo zener (disponible en la Tienda REUK) y una resistencia . Mientras el voltaje de entrada sea unos pocos voltios más que el voltaje de salida deseado, el voltaje a través del diodo zener será estable.

A medida que el voltaje de entrada aumenta, la corriente a través del diodo Zener aumenta, pero la caída de voltaje permanece constante, una característica de los diodos zener. Por lo tanto, dado que la corriente en el circuito ha aumentado, la caída de voltaje a través de la resistencia aumenta en una cantidad igual a la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje zener del diodo.

Electrikals

Un diodo Zener está en el corazón de dicho regulador. Su funcionamiento en polarización directa es similar a la mayoría de los demás diodos de uso general (como la serie 1N400X), pero en polarización inversa las cosas son muy diferentes: el perfil de dopaje de unión Zener permite una corriente de ruptura controlada y no destructiva con un diseño bastante bien diseñado voltaje generalmente mucho más bajo que el diodo de uso general. Este voltaje de ruptura controlado le permite al zener “sujetar” el voltaje en un conductor siempre que un elemento del circuito (generalmente una resistencia) garantice que no se exceda la potencia nominal del zener.

La mayoría de los zeners de bajo voltaje manejan de manera segura las corrientes en el rango de 10 a 50 mA, por lo que para corrientes más altas se usa un “transistor de paso”: en la mayoría de estos circuitos, el zener establece el voltaje de la base (o puerta) y el transistor se usa en el configuración emisor-seguidor (o seguidor de fuente). Dichas configuraciones permiten alta corriente y baja impedancia de salida, las cuales son deseables para la mayoría de los diseños de reguladores de voltaje.

En un circuito de CC, el diodo Zener puede usarse como un regulador de voltaje o para proporcionar una referencia de voltaje. El uso principal del diodo zener radica en el hecho de que el voltaje a través de un diodo Zener permanece constante para un cambio mayor en la corriente. Esto hace posible usar un diodo Zener como un dispositivo de voltaje constante o un regulador de voltaje.

En cualquier circuito de suministro de energía, se usa un regulador para proporcionar un voltaje de salida (carga) constante independientemente de la variación en el voltaje de entrada o la variación en la corriente de carga. La variación en el voltaje de entrada se llama regulación de línea, mientras que la variación en la corriente de carga se llama regulación de carga. Los principios de funcionamiento del diodo Zener y sus diversas aplicaciones

Un diodo Zener es un diodo de unión pn donde ambos lados de la unión se dopan lo suficiente como para introducir una corriente de túnel significativa en polarización inversa antes de la ruptura de la avalancha de la unión. Tanto la corriente de túnel como la corriente de ruptura de avalancha aumentan lo suficientemente rápido con el voltaje para que el dispositivo se pueda aproximar como una fuente de voltaje constante en este régimen de operación. Sin embargo, la corriente de túnel se comparte más uniformemente en el área del dispositivo que la corriente de ruptura de avalancha, lo que permite que el diodo Zener funcione de manera más segura en el modo de voltaje constante sin las fallas térmicas observadas en otros diodos en la ruptura de avalancha.

Cuando un diodo Zener está polarizado en polarización inversa a un voltaje determinado, puede pasar un amplio rango de corriente (corriente baja limitada por temperatura y corriente alta limitada por capacidad de disipación de potencia) con un cambio muy pequeño de voltaje. La figura de mérito (FOM) de un diodo Zener será la relación de variación de corriente como una fracción de la variación de voltaje en el modo de ruptura de Zener, cuanto mayor sea el FOM, mejor será el diodo Zener. El voltaje de ruptura de Zener en sí mismo puede controlarse variando el dopaje de las regiones p y n que forman la unión, sin embargo, si al menos uno de los dos lados se dopa lo suficientemente ligero, el efecto Zener ya no predomina sobre la ruptura de avalancha y el dispositivo no No entre en el colapso de Zener en la práctica. En Silicon, el voltaje de Zener puede elevarse hasta ~ 5.6V antes de que el efecto Zener ya no predomina.

Dado un diodo de material desconocido y dopaje, una forma de distinguir si la ruptura de la unión inversa es el resultado de la ruptura de Zener o Avalanche es variar la temperatura. El voltaje de ruptura de avalancha tiene un coeficiente de temperatura positivo, lo que significa que aumenta con la temperatura; y el voltaje de ruptura de Zener tiene un coeficiente de temperatura negativo. Este coeficiente de temperatura negativo tiene que ser considerado en el diseño con diodos Zener.

En la figura, el diodo Zener está conectado en paralelo a la carga. Cuando el voltaje de entrada aumenta, el diodo Zener entra en la región de ruptura a medida que aumenta la corriente a través del diodo Zener, pero el voltaje a través del diodo Zener permanece constante. Entonces, el voltaje a través de la carga se convierte en un voltaje constante después de aplicar un cierto voltaje de entrada. En la región de ruptura del diodo Zener, el voltaje a través de Zener se vuelve independiente del voltaje de entrada. Entonces comenzó a comportarse como un regulador de voltaje.

En las características IV del diodo Zener se ve claramente que en la región de operación polarizada inversamente se descompone el diodo Zener después de que se aplica una cantidad fija de voltaje de suministro a través de él. Por lo tanto, la regulación de voltaje es una de las aplicaciones del diodo Zener.

Regulación de voltaje significa, mantener un voltaje constante en la salida, independientemente de la variación de carga. En polarización inversa, el voltaje del diodo Zener mantiene un voltaje constante después de la ruptura. Esta característica ayuda al diodo Zener a utilizar el regulador de voltaje.

Todos los diodos semiconductores tienen un “voltaje de ruptura inversa”. A ese voltaje, los pocos “electrones” u “agujeros” que pueden estar presentes en voltajes más bajos debido a los efectos térmicos residuales se aceleran por el campo eléctrico a una velocidad lo suficientemente alta como para que, al impactar con varias irregularidades como los límites de cristal en el cristalino estructura, pueden ionizar o “liberar” electrones o agujeros adicionales, el efecto en cascada aumenta drásticamente la densidad de estos portadores de corriente y, por lo tanto, la corriente total. Los diodos Zener están diseñados para que este proceso ocurra de una manera particularmente bien controlada. Como recuerdo, Clarence Zener era ingeniero / físico en los Laboratorios de Investigación Naval. El proceso no es totalmente diferente a la forma en que un tubo de gas de neón u otro se “enciende” cuando se aplica suficiente voltaje.

Un regulador de voltaje debe mantener automáticamente un nivel constante. El diodo zener es el tipo más simple de regulador de voltaje y el punto en el que un diodo zener se rompe o conduce se llama “voltaje Zener” (Vz). Entonces, cuando el nivel de voltaje dentro del límite de voltaje zener, está en polarización inversa. Pero cuando el voltaje excede el Vz, entonces ocurre una falla y la fijación del voltaje es igual al voltaje Zener. Por lo tanto, siempre mantuvo el voltaje a un nivel constante. Es por eso que el diodo Zener se usa como regulador de voltaje.

Diagrama:

El diodo Zener está diseñado ya que tiene un voltaje de bajada de freno fijo, allí para un diodo zener cuando se conecta en modo no conductivo, al alcanzar el voltaje de ruptura se vuelve conductivo,

Por lo tanto, en un circuito, hipotéticamente conecta zener a través de + ve y. – polarización inversa de los polos (modo no conductivo) cuando el voltaje en los polos aumenta para romper el voltaje del diodo zener se abre para conducir, ya que el circuito está en cortocircuito, el voltaje disponible baja dramáticamente de nuevo, este voltaje bajando alcanza el voltaje zener no conductivo, por lo tanto, cualquier voltaje más alto se escapa a través del diodo zener, a través de los dos puntos de conexión permanecerá un voltaje fijo como resultado total de las actividades

Se puede aplicar un diodo Zener a un circuito para regular el voltaje aplicado a una carga, como en un regulador lineal.
El término regulador significa que regula o controla. 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. El diagrama básico del diodo zener como regulador de voltaje se da a continuación,
Para limitar la corriente a través de la serie R, se introduce la resistencia R del diodo cuyo valor se puede elegir de la siguiente ecuación
Valor de resistencia (ohmios) = (V1 – V2) / (corriente zener + corriente de carga)
El diagrama anterior es de un regulador de derivación porque el elemento regulador es paralelo a la carga. El diodo Zener produce un voltaje de referencia estable a través de la carga que cumple los criterios del regulador.

Un diodo regular se conducirá solo con un sesgo hacia adelante. Cuando se invierte la polaridad, se vuelve no conductiva. Mientras que Zener se comportará como un diodo normal con polarización directa pero polarización inversa, seguirá conduciendo pero de tal manera que la caída de voltaje a través de él se mantenga dentro del rango permitido llamado “voltaje de ruptura”. Un diodo normal se romperá cuando se le aplique el voltaje inverso máximo, pero el zener operará en esa región. Cuando el diodo zener está diseñado para un voltaje de ruptura específico, mantiene ese voltaje al conducir más corriente cuando aumenta el voltaje aplicado. Una resistencia de lastre en serie con ella también absorberá el cambio de corriente y regulará el voltaje a través del diodo.

La vieja motocicleta BSA utilizaba un generador de energía a través de una salida de generador de 12 voltios no regulada. Tenía un disipador de calor considerable y elegante montado en el viento cerca del faro. Se eligió el voltaje zener para sujetar el exceso de voltaje, pero el zener permaneció fuera de la conducción en inactivo, donde el voltaje del generador es apenas suficiente para alimentar todas las cargas combinadas. La computadora de inyección de combustible Toyota de 1984 usó un Zener de 5 voltios con una resistencia pullup de 12V, que produjo 5 voltios con suficiente corriente para alimentar el microprocesador. La única forma en que sé esto es que el Zener salió mal en uno. Reemplazar el zener de menor tamaño por un zener de 5.1V más grande lo reparó permanentemente. La resistencia pullup proporcionaba más corriente de la que usaría el microprocesador, lo que en algunos casos hacía que el pequeño zener de vidrio estuviera demasiado caliente para tocarlo. Un zener más grande empaquetado en un metal puede funcionar bien al tacto.