Figura. 21 Apariencia física común de los diodos zener

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Los diodos Zener son diodos especialmente diseñados para trabajar en la zona de ruptura, comportándose en polarización directa como diodos rectificadores y en polarización inversa como referencias de voltaje. Su principal aplicación es en circuitos reguladores de voltaje ofreciendo referencias de voltajes muy estables para ser usado en fuentes de alimentación, voltímetros y muchos más instrumentos.

La figura 22 muestra los símbolos utilizados en los esquemas electrónicos para representar un diodo Zener.

Figura. 22 Símbolo del Diodo Zener

Fuente: Floyd,T.(2008).Dispositivos Electrónicos. Prentice Hall

Recuperado de: https://profejuandotcom.files.wordpress.com/2017/02/dispositivos-electronicos-floyd-8edi.pdf 

El cátodo se identifica generalmente mediante una banda de color marcada alrededor del cuerpo del dispositivo.

Los fabricantes entregan un numero de referencia, digamos 1N750 con el cual se puede buscar la hoja de especificaciones del dispositivo, los parámetros principales que se especifican para un diodo Zener son el voltaje de ruptura o Zener (Vz), la Corriente máxima soportada (Izmax) y la potencia máxima que pueden absorber en forma segura sin destruirse (Pz).
Actualmente Variando el nivel de dopaje de los diodos de silicio, el fabricante puede producir diodos Zener con voltajes de ruptura que van desde 2 hasta 200 V.

A continuación se hará el análisis de la representación gráfica del funcionamiento de un diodo Zener llamada curva característica V - I (voltaje vs corriente).

Figura. 23 Curva característica del Diodo Zener

Recuperado de: http://www.areatecnologia.com/electronica/diodo-zener.html 

Donde:

El subíndice "F" (forward) representa las condiciones en polarización directa
El subíndice "R" (reverse) las condiciones en polarización inversa.
Vz = El voltaje Zener.

En un diodo Zener polarizado inversamente la corriente inversa (I_R) es prácticamente insignificante, hasta que el voltaje inverso (V_R) alcanza un cierto valor Vz, llamado voltaje Zener o de referencia. Cuando se llega a este punto, el diodo entra en conducción, permitiendo la circulación de una corriente importante. A partir de entonces, la tensión entre sus terminales permanece prácticamente constante e igual a Vz para una amplia gama de valores de I_R. Esta propiedad es la que permite utilizar los diodos Zener como reguladores de voltaje y/o referencias de tensión en un gran número de usos.

CIRCUITO EQUIVALENTE DEL DIODO ZENER

Un diodo Zener ideal polarizado en inversa es representado como una fuente de corriente continua (CC) indicando el valor del voltaje Zener (Vz) que posee el dispositivo.

En la practica el diodo Zener no es ideal, polarizado en inversa y al conducir en la zona de ruptura tiene una impedancia (Zz) por esto el circuito equivalente aproximado tiene una resistencia en serie con la fuente CC.

Figura. 24 (a) Diodo Zener Ideal (b) Diodo Zener en la práctica.

Fuente: Floyd,T.(2008).Dispositivos Electrónicos. Prentice Hall

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La consecuencia de dicha impedancia se nota en la pequeña variación que existe del voltaje Zener (∆Vz) cuando cambia la corriente Zener (∆Iz). Dicha variación hace que la curva de funcionamiento real de un diodo Zener no sea una línea totalmente vertical.

Izmin: Es la corriente mínima necesitada para que el diodo Zener entre en conducción polarizado en inversa.

Izmax: Es la máxima corriente soportada por el diodo Zener antes de destruirse.

REGULADOR DE VOLTAJE CON DIODO ZENER

 

Un circuito regulador de voltaje mantiene constante el voltaje de salida contra variaciones en el voltaje de entrada y la resistencia de carga.

Izmín < I_Z < Izmáx

El valor de la Izmax lo entrega la hoja del fabricante y la Izmin se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

Izmín = Izmáx ∙ 0,15

R_Smín < R_S < R_Smáx

R_S = (R_Smín + R_Smáx) / 2

Donde:

R_Smín = (V_IN - Vz) / Izmáx

R_Smáx = (V_IN - Vz) / (Izmín + I_L)

R_L es la Resistencia de carga la cual está conectada en paralelo con el diodo Zener y es alimentada por el voltaje de salida regulado.

Vz = V_L

Encontramos Tres valores de corriente en el circuito:

I_S es la corriente en Rs que es la misma corriente total del circuito.
I_Z es la corriente Zener.
I_L es la corriente de carga.

Por ley de Kirchhoff tenemos que:

I_S = I_Z + I_L

Iz = I_S – I_L

Por ley de Ohm:

I_S = (V_IN - Vz) / R_S

I_L = V_L / R_L

Finalmente se calcula el valor de la potencia que absorbe el diodo Zener, dato que a la hora de comprar el dispositivo es de utilidad.

Pz = Vz Iz

 

 

Figura. 27 Limitador Combinado Zener

Fuente: Floyd,T.(2008).Dispositivos Electrónicos. Prentice Hall

Recuperado de: https://profejuandotcom.files.wordpress.com/2017/02/dispositivos-electronicos-floyd-8edi.pdf 

El circuito de la figura es un limitador combinado el cual recorta picos de señal superiores al voltaje Zener de los diodos.
Durante los semiciclos Positivos D2 limita a su valor de voltaje Zener y D1 esta polarizado en directa. Durante los semiciclos D1 limita a su valor de voltaje Zener y D2 esta polarizado en directa.

La siguiente gráfica es la arrojada por una simulación usando el diodo Zener 1N750.