REGULADOR ZENER. Objetivos Hipótesis Indicadores Metodología Conclusiones Observaciones. Tensión de entrada. Resistencia en serie.

Transcripción

1 REGULADOR ZENER Planteamiento del problema Como usar el diodo zener en una fuente de alimentación de potencia regulada por transistores Objetivos Hipótesis Indicadores Metodología Conclusiones Observaciones Conocer la cantidad de tensión de referencia que se puede controlar. Conocer los parámetros que hacen posible el funcionamie nto del diodo zener Aumento de la capacidad de paso de potencia Mejora del factor de regulación al utilizar la ganancia de corriente del transistor Tensión de entrada. Resistencia en serie. Corriente de entrada. Características de avalancha Método experimental La ruptura en avalancha del funcionamiento del diodo zener no es destructiva, con tal que no se exceda la disipación de potencia nominal de la unión. Se ha apreciado q el regulador zener tiene bastante uso en la vida electrónica.

2 EL REGULADOR ZENER 1

3 OBJETIVOS.- Conocer la cantidad de tensión de referencia que se puede controlar. Conocer los parámetros que hacen posible el funcionamiento del diodo zener. 2

4 INTRODUCCIÓN Hemos visto que un diodo semiconductor normal puede estar polarizado tanto en directa como inversamente. En directa se comporta como una pequeña resistencia. En inversa se comporta como una gran resistencia. Veremos ahora un diodo de especiales características que recibe el nombre de diodo zener. El diodo zener trabaja exclusivamente en la zona de característica inversa y, en particular, en la zona del punto de ruptura de su característica inversa Esta tensión de ruptura depende de las características de construcción del diodo, se fabrican desde 2 a 200 voltios. Polarizado en directa actúa como un diodo normal y por tanto no se utiliza en dicho estado 3

5 Qué es un regulador? Es un dispositivo electrónico diseñado con el objetivo de proteger aparatos eléctricos y electrónicos delicados de variaciones de diferencia de potencial (tensión/voltaje), descargas eléctricas y "ruido" existente en la corriente alterna de la distribución eléctrica. Los reguladores de tensión están presentes en las fuentes de alimentación de corriente continua reguladas, cuya misión es la de proporcionar una tensión constante a su salida. Un regulador de tensión eleva o disminuye la corriente para que el voltaje sea estable, es decir, para que el flujo de voltaje llegue a un aparato sin irregularidades. Esto, a diferencia de un "supresor de picos" el cual únicamente evita los sobre voltajes repentinos (picos). Un regulador de voltaje puede o no incluir un supresor de picos. El diodo Zener.- Es un tipo especial de diodo preparado para trabajar en la zona inversa. Cuando se alcanza la denominada tensión Zener en polarización inversa, ante un aumento de la corriente a través del diodo, éste mantiene la tensión constante entre sus terminales dentro de ciertos márgenes. Si la corriente es muy pequeña la tensión empezará a disminuir, pero si es excesiva puede destruir el diodo. Esta propiedad hace que el diodo Zener sea utilizado como regulador de tensión en las fuentes de alimentación. 4

6 Comportamiento del Zener.- El llamado diodo Zener, cuyas características en polarización directa son análogas a las del diodo de unión, pero que en polarización inversa se comporta de manera distinta, lo que le permite tener una serie de aplicaciones. Cuando el diodo esta polarizado inversamente, una pequeña corriente circula por él, llamada corriente de saturación I s, esta corriente permanece relativamente constante mientras aumentamos la tensión inversa hasta que el valor de ésta alcanza V z, 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. Obviamente, hay un drástico cambio de la resistencia efectiva de la unión PN. 5

7 Caracterización del Zener El diodo zener viene caracterizado por: Tensión Zener V z. Rango de tolerancia de V z. (Tolerancia: C: ±5%) Máxima corriente Zener en polarización inversa I. z Máxima potencia disipada. Máxima temperatura de operación del zener. Constitución de un Diodo Zener Los zener se fabrican por procesos de aleación o difusión según sean las características que se deseen obtener. De modo general, podemos decir que para diodos con tensión de ruptura inferior a 9 V. Presentan mejores características cuando se fabrican por aleación, mientras que cuando las tensiones de ruptura son superiores a los 12 voltios se fabrican por difusión, para las tensiones entre 9 y 12 voltios el proceso de fabricación depende de otros factores. Proceso de fabricación por aleación: Este método consiste en calentar a una temperatura de unos 650º, una pequeña pastilla de cristal de silicio tipo N, a la que se le coloca encima una minúscula cantidad de material tipo P. Al calentarlos se produce la aleación entre ambos en una zona de forma circular. Proceso de fabricación por Difusión: Este tipo de diodos se obtienen depositando en una delgada lamina de cristal de silicio, boro por una cara (para la formación del materia tipo P ) y por la otra vapor de fósforo ( para la formación del materia tipo N) el conjunto se introduce en un horno a una temperatura superior a 1200ºC el calor provocara que en el cristal de silicio penetre el fósforo por un lado y el boro por el otro, difundiéndose ambos materiales en el cristal de silicio. 6

8 El tipo de encapsulado es igual que el de los diodos rectificadores. Aunque como veremos mas adelante no se comportan como ellos, es por eso que en sismología electrónica la forma de representarlos es también diferente. Código de identificación del ZENER Existen tres tipos de identificación de los diodos zener. El mas moderno consiste en tres letras seguidas de un numero de serie y el valor que hace referencia a la tensión zener. 1. Es un B, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor de silicio. 2. Es una Z, indica que se trata de un diodo zener. 3. Es una X o Z indica que se trata de aplicaciones profesionales. Después ira el número de serie indicado por el fabricante y la tensión zener, utilizando la V como coma decimal. Por ejemplo: BZX-79-5V1 En ocasiones se le añade una letra más que nos indicara la tolerancia de la tensión zener, según el siguiente código: A---- 1% B---- 2% C---- 5% D----10% E----15% 7

9 Otro código es el que utiliza También tres letras y el numero de serie del fabricante, siendo 1. Es un O, indicativa de que se trata de un elemento semiconductor 2. Es AZ, indica que se trata de un diodo zener 3. El numero de serie del fabricante Y por ultimo el código americano, que al igual que los diodos rectificadores seria: 1N seguido por un número de serie Diseño del Regulador Zener. Es importante conocer el intervalo de variación de la tensión de entrada (V AA ) y de la corriente de carga (I L ) para diseñar el circuito regulador de manera apropiada. La resistencia R debe ser escogida de tal forma que el diodo permanezca en el modo de tensión constante sobre el intervalo completo de variables. La ecuación del nodo para el circuito de la figura 4 nos dice que: Para asegurar que el diodo permanezca en la región de tensión constante (ruptura), se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada salida: La corriente a través del diodo I es mínima cuando la corriente de carga I es Z L máxima y la fuente de tensión V es mínima. AA La corriente a través del diodo I es máxima cuando la corriente de carga I es Z L mínima y la fuente de tensión V AA es máxima. 8

10 Cuando estas características de los dos extremos se insertan en la ecuación (3), se encuentra: Igualando las ecuaciones (4) y (5) llegamos a que: En un problema práctico, es razonable suponer que se conoce el intervalo de tensiones de entrada, el intervalo de corriente de salida y el valor de la tensión zener deseada. La ecuación (6) representa por tanto una ecuación con dos incógnitas, las corrientes zener máxima y mínima. Se encuentra una segunda ecuación examinando la figura 5. Para evitar la porción no constante de la curva característica una regla práctica que constituye un criterio de diseño aceptable es escoger la máxima corriente zener 10 veces mayor que la mínima, es decir: 9

11 La ecuación (6) se podrá entonces reescribir de la siguiente manera: Resolviendo entonces para la máxima corriente zener, se obtiene: Ahora que se tiene la máxima corriente zener, el valor de R se puede calcular de cualquiera de las ecuaciones (4) ó (5). No es suficiente con especificar el valor de R, también se debe seleccionar la resistencia apropiada capaz de manejar la potencia estimada. La máxima potencia vendrá dada por el producto de la tensión por la corriente, utilizando el máximo de cada valor. 10

12 CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR DE VOLTAJE CON ZENER El diodo zener se puede utilizar para regular una fuente de voltaje. Este semiconductor se fabrica en una amplia variedad de voltajes y potencias Estos van desde menos de 2 voltios hasta varios cientos de voltios, y la potencia que pueden disipar va desde 0.25 watts hasta 50 watts o más. La potencia que disipa un diodo zener es simplemente la multiplicación del voltaje para el que fue fabricado por la corriente que circula por él. Pz = Vz x Iz Esto significa que la máxima corriente que puede atravesar un diodo zener es: Iz = Pz/Vz. Donde: - Iz = Corriente que pasa por el diodo Zener - Pz = Potencia del diodo zener (dato del fabricante) - Vz = Voltaje del diodo zener (dato del fabricante) 11

13 APLICACIÓNES.- Una de las aplicaciones más usuales de los diodos zener es su utilización como reguladores de tensión. Los reguladores de tensión se encuentran en todo tipo de dispositivos y equipos incluyendo la automoción, el gran consumo, informática, las comunicaciones y la industria médica y de la iluminación. Qué hace un regulador con Zener? Un regulador con Zener ideal mantiene un voltaje fijo predeterminado, a su salida, sin importar si varía el voltaje en la fuente de alimentación y sin importar como varíe la carga que se desea alimentar con este regulador. La figura 4 muestra el circuito de un diodo usado como regulador. Este circuito se diseña de tal forma que el diodo zener opere en la región de ruptura, aproximándose así a una fuente ideal de tensión. El diodo zener está en paralelo con una resistencia de carga R L y se encarga de mantener constante la tensión entre los extremos de la resistencia de carga (V out =V Z ), dentro de unos límites requeridos en el diseño, a pesar de los cambios que se puedan producir en la fuente de tensión V AA, y en la corriente de carga I L. 12

14 Analicemos a continuación el funcionamiento del circuito. Consideremos primero la operación del circuito cuando la fuente de tensión proporciona un valor V AA constante pero la corriente de carga varia. Las corrientes I L = V Z /R L e I Z están ligadas a través de la ecuación: Y para las tensiones: Por lo tanto: Si V AA y V Z permanecen constantes, V R debe de serlo también (V R = I T R). De esta forma la corriente total I T queda fijada a pesar de las variaciones de la corriente de carga. Esto lleva a la conclusión de que si I L aumenta, I Z disminuye y viceversa (debido a la ecuación (1)). En consecuencia V Z no permanecerá absolutamente constante, variará muy poco debido a los cambios de I Z que se producen para compensar los cambios de I. L Si ahora lo que permanece constante es la corriente de carga y la fuente de tensión V AA varía, un aumento de ésta produce un aumento de I T y por tanto de I Z pues I L permanece constante, y lo contrario si se produjera una disminución de V AA. Tendríamos lo mismo que antes, una tensión de salida prácticamente constante, las 13

15 pequeñas variaciones se producirían por las variaciones de I para compensar las Z variaciones de V AA. REGULADOR DE TENSIÓN EN VACÍO (SIN CARGA) Él estará entre un mínimo y un máximo, y el regulador tiene que funcionar bien entre esos 2 valores (vsmáx y vsmín).en este caso vs lo pondremos como una pila variable. Además para que funcione correctamente el zener tiene que trabajar en la zona de ruptura. Para que esté en ruptura se tiene que cumplir: 14

16 Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Ciclo 2010-A REGULADOR DE TENSIÓN CON CARGA Paraa comprobar que estamos en ruptura calculamos desde los bornes de la tensión V Z : el equivalente de Thevenin 15

17 Como en el anterior caso los valores del circuito tienen que estar entre un máximo y un mínimo: El zener absorbe la corriente sobrante (I Z variable) y la resistencia (R) la tensión sobrante. Entonces a la salida la forma de la onda es la siguiente: 2ª APROXIMACIÓN: 16

18 El circuito equivalente sería de la siguiente forma: A ese circuito se le aplica la superposición: Como la superposición es la suma de estos 2 circuitos la solución será esta: Con esto se ve que lo que hace el zener es "Amortiguar el rizado". 17

19 REGULADOR DE TENSION CON UN TRANSISTOR En este circuito la corriente de entrada sigue los cambios de la corriente por la carga, sin embargo, en el regulador paralelo la corriente por la carga se mantenía constante. Al haber sustituido la resistencia serie por un transistor, este regulador tiene un mayor rendimiento que el anteriormente visto, por lo que se utiliza en circuitos de mayor potencia. Si se produce una baja en el valor de la resistencia de carga, la corriente de entrada al circuito estabilizador aumenta y por donde, también aumenta la corriente por la resistencia R1, como el diodo zener mantiene su tensión constante, aumenta la caída de tensión en R1, con lo que la tensión colector-base del transistor aumenta, volviéndose menos conductivo, y estabilizando el aumento inicial de corriente. Probador / Medidor de Diodos Zener Con el avance del tiempo los componentes electrónicos van mejorando tanto en su calidad como en su empaque, pero esto no sucede en los diodos zener, los cuales son casi imposible de identificar por su encapsulado carente de inscripciones. Para suplir esa falta presentamos este práctico instrumento de taller que nos permitirá saber el valor de un diodo y, al mismo tiempo, si esta funcionando correctamente. 18

20 El circuito consta de dos secciones. La primera se encarga de oscilar sobre el bobinado de baja tensión de un transformador de alimentación. En su bobinado de 220v se presenta una tensión acorde al ajuste del oscilador, efectuado por el potenciómetro de 10K. Rectificada y filtrada, la tensión resultante es limitada en corriente y aplicada al zener, el cual cortará en el nivel de voltaje para el cual está fabricado. Con un voltímetro de continua podremos saber, entonces, el valor de esa tensión. Forma de uso: 1. Colocar el zener a medir en los bornes de prueba 2. Girar el potenciómetro a su mínimo recorrido (que quede en 10K) 3. Encender el instrumento (en caso de ser un tester) 4. Encender el probador de zener 5. Comenzar a girar el potenciómetro 6. La tensión en el instrumento aumentará gradualmente 7. Donde se detenga la cresta será la tensión de trabajo del diodo Dada su simpleza este circuito puede ser armado sobre una regleta de conexiones o en una placa universal sin problema alguno. Si alguien decide diseñar un circuito impreso y nos lo envía, desde ya muchas gracias 19