Las 3 mejores aplicaciones relacionadas con la funcionalidad del diodo Zener

Los diodos Zener son diodos de unión PN normales que funcionan en condiciones de polarización inversa. El funcionamiento del diodo Zener es similar al de un diodo de unión PN en condiciones de polarización de avance, pero la singularidad reside en que también puede conducir cuando se conecta en polarización inversa por encima de su tensión umbral/de ruptura. Estos son algunos de los tipos básicos de diodos que se utilizan con frecuencia, además de los diodos normales.


Funcionamiento del diodo Zener

Diodo semiconductor en condiciones de polarización inversa

Si recuerdas, un diodo de unión PN simple está formado por una combinación de material semiconductor de tipo p con un material semiconductor de tipo n. Cuando una cara de un cristal semiconductor está dopada con impurezas donantes y la otra con impurezas aceptoras, se forma una unión PN.

Diodo semiconductor insensible

En condiciones normales, los huecos del lado p tienden a difundirse hacia una región de baja concentración y lo mismo ocurre con los electrones del lado n.

Así, los huecos se difunden hacia el lado n y los electrones hacia el lado p. Esto da lugar a la acumulación de cargas alrededor de la unión, formando una región de agotamiento.

Diodo semiconductor insensible
Diodo semiconductor insensible

Se forma una polaridad eléctrica o dipolo eléctrico a través de la unión, provocando el flujo de flujo desde el lado n hacia el lado superior. Esto da lugar a una intensidad de campo eléctrico negativo variable, generando un potencial eléctrico a través de la unión. Este potencial eléctrico es en realidad la tensión umbral del diodo y es de unos 0,6 V para el silicio y 0,2 V para el germanio. Esto actúa como una barrera de potencial para el flujo de portadores de carga mayoritarios y el dispositivo no conduce.

Ahora bien, cuando un diodo normal se polariza de forma que se aplica una tensión negativa al lado n y una tensión positiva al lado p, se dice que el diodo está en condición de polarización hacia delante. Esta tensión aplicada tiende a disminuir la barrera de potencial después de superar la tensión umbral.

En este punto y después, los portadores mayoritarios atraviesan la barrera de potencial y el dispositivo comienza a conducir con el flujo de corriente a través de él.

Cuando el diodo está polarizado en condiciones inversas a las anteriores, la tensión aplicada es tal que aumenta la barrera de potencial y dificulta el flujo de portadores mayoritarios. Sin embargo, permite el flujo de portadores minoritarios (huecos en el tipo n y electrones en el tipo p). A medida que aumenta esta tensión de polarización inversa, la corriente inversa tiende a aumentar gradualmente.

En un momento determinado, esta tensión es tal que provoca la ruptura de la región de agotamiento, causando un aumento masivo del flujo de corriente. Aquí es donde entra en juego el funcionamiento del diodo Zener.

El principio de funcionamiento del diodo Zener

Como ya se ha dicho, el principio básico del funcionamiento de un diodo Zener reside en la causa de la ruptura de un diodo en condiciones de polarización inversa. Normalmente hay dos tipos de ruptura: Zener y Avalancha.

Principio de funcionamiento del diodo zener
Principio de funcionamiento del diodo zener

Avería del Zener

Este tipo de ruptura se produce para una tensión de polarización inversa de entre 2 y 8 V. Incluso a esta baja tensión, la intensidad del campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para ejercer una fuerza sobre los electrones de valencia del átomo de forma que se separen de los núcleos. Esto da lugar a la formación de pares de electrones-huecos móviles, aumentando el flujo de corriente a través del dispositivo. El valor aproximado de este campo es de unos 2*10^7 V/m.

Este tipo de ruptura se produce normalmente en un diodo muy dopado con una tensión de ruptura baja y un campo eléctrico mayor. A medida que aumenta la temperatura, los electrones de valencia ganan más energía para desprenderse del enlace covalente y se requiere menos cantidad de tensión externa. Por tanto, la tensión de ruptura Zener disminuye con la temperatura.

Descomposición por avalancha

Este tipo de ruptura se produce con una tensión de polarización inversa superior a 8 V y superior. Se produce en diodos ligeramente dopados con una gran tensión de ruptura. Cuando los portadores de carga minoritarios (electrones) fluyen a través del dispositivo, tienden a colisionar con los electrones del enlace covalente y hacen que éste 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 de los pares electrón-hueco. La tensión de ruptura de avalancha aumenta con la temperatura.

3 Aplicaciones del diodo Zener

1. Diodo Zener como tensión

En un circuito de corriente continua, el diodo Zener puede utilizarse como regulador de tensión o para proporcionar una referencia de tensión. El principal uso del diodo Zener reside en el hecho de que la tensión a través de un diodo Zener permanece constante para un cambio mayor de la corriente. Esto permite utilizar un diodo Zener como dispositivo de tensión constante o como regulador de tensión.

En cualquier circuito de alimentación, se utiliza un regulador para proporcionar una tensión de salida (de carga) constante, independientemente de la variación de la tensión de entrada o de la variación de la corriente de carga. La variación de la tensión de entrada se llama regulación de línea, mientras que la variación de la corriente de carga se llama regulación de carga.

Diodo Zener como regulador de tensión
Diodo Zener como regulador de tensión

Un circuito sencillo con un diodo Zener como regulador requiere una resistencia de bajo valor conectada en serie con la fuente de tensión de entrada. El valor bajo es necesario para permitir el máximo flujo de corriente a través del diodo, conectado en paralelo. Sin embargo, la única restricción es que la corriente a través del diodo Zener no debe ser inferior a la corriente mínima del diodo Zener. En pocas palabras, para una tensión de entrada mínima y una corriente de carga máxima, la corriente del diodo Zener debe ser siempre Izmin.

Al diseñar un regulador de tensión con un diodo Zener, éste se elige en función de su potencia máxima. En otras palabras, la corriente máxima que pasa por el dispositivo debe ser

Imax = Potencia/tensión Zener

Como se conoce la tensión de entrada y la tensión de salida necesaria, es más fácil elegir un diodo Zener con una tensión aproximadamente igual a la de la carga, es decir, Vz ~=Vo.

El valor de la resistencia en serie se elige como

R =(Ven – Vz)/(Izmin + IL), donde IL = Tensión de carga/Resistencia de carga.

Ten en cuenta que para tensiones de carga de hasta 8V, se puede utilizar un solo diodo Zener. Sin embargo, para tensiones de carga superiores a 8V, que requieren tensiones Zener de mayor valor, es aconsejable utilizar un diodo polarizado hacia delante en serie con el diodo Zener. Esto se debe a que el diodo Zener a mayor tensión sigue el principio de ruptura de avalancha, teniendo una temperatura positiva del coeficiente.

De ahí que se utilice un diodo de coeficiente de temperatura negativo para la compensación. Por supuesto, hoy en día se utilizan diodos Zener con compensación de temperatura en la práctica.

2. Diodo Zener como referencia de tensión

Diodo Zener como referencia de tensión
Diodo Zener como referencia de tensión

En las fuentes de alimentación y en muchos otros circuitos, el diodo Zener encuentra su aplicación como proveedor de tensión constante o como referencia de tensión. Las únicas condiciones son que la tensión de entrada sea mayor que la tensión Zener y que la resistencia en serie tenga un valor mínimo tal que la corriente máxima fluya a través del dispositivo.

3. El diodo Zener como bloqueador de tensión

En un circuito en el que interviene la fuente de entrada de corriente alterna, diferente al normal Circuito de sujeción de diodos PNtambién se puede utilizar un diodo Zener. El diodo puede utilizarse para limitar el pico de la tensión de salida a la tensión Zener en un lado y a unos 0 V en otro lado de la forma de onda sinusoidal.

diodo zener como limitador de tensión
el diodo zener como clamador de tensión

En el circuito anterior, durante el semiciclo positivo, una vez que la tensión de entrada es tal que el diodo zener tiene un sesgo inverso, la tensión de salida es constante durante un cierto tiempo hasta que la tensión empieza a disminuir.

Ahora, durante el semiciclo negativo, el diodo Zener está en conexión sesgada hacia delante. Cuando la tensión negativa aumenta hasta la tensión umbral de avance, el diodo empieza a conducir y el lado negativo de la tensión de salida se limita a la tensión umbral.

Ten en cuenta que para obtener una tensión de salida sólo en el rango positivo, utiliza dos diodos Zener de polarización opuesta en serie.

Aplicaciones de trabajo del diodo Zener

Con la creciente popularidad de los teléfonos inteligentes, hoy en día se prefieren los proyectos basados en Android. Estos proyectos implican el uso de dispositivos basados en la tecnología Bluetooth. Estos dispositivos Bluetooth necesitan una tensión de unos 3V para funcionar. En estos casos, se utiliza un diodo Zener para proporcionar una referencia de 3V al dispositivo Bluetooth.

Aplicación de trabajo del diodo Zener en un dispositivo Bluetooth
Aplicación de trabajo del diodo Zener con un dispositivo Bluetooth

Otra aplicación consiste en utilizar el diodo Zener como regulador de tensión. Aquí la tensión alterna es rectificada por el diodo D1 y filtrada por el condensador. Esta tensión continua filtrada es regulada por el diodo para proporcionar una tensión de referencia constante de 15V. Esta tensión continua regulada se utiliza para accionar el circuito de control, utilizado para controlar la conmutación de la luz, como en un sistema de control de iluminación automatizado.

Aplicación de la regulación de tensión del diodo Zener
Aplicación de la regulación de la tensión de los diodos Zener

Esperamos haber podido proporcionar información precisa pero esencial sobre el funcionamiento del diodo Zener y sus aplicaciones. He aquí una sencilla pregunta para los lectores: ¿Por qué se prefieren los circuitos integrados reguladores a los diodos Zener en las fuentes de alimentación de CC reguladas?

Da tus respuestas y, por supuesto, tu opinión en la sección de comentarios de abajo.

Créditos de las fotos

Lee:  Tipos de sensores con sus diagramas de circuito.
Javired
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