El diodo zener es un dispositivo electrónico que trabaja en la zona deruptura de la región de polarización inversa, donde se forma un codo donde el voltaje se mantiene fijo entre sus terminales a un valor Vz, mientras la corriente Iz puede variar entre un límite mínimo (IZmin) a partir del cual el voltaje permanece constante, y un límite máximo (IZmax) al cual se asegura el diodo no se dañará. Esto se puede observar en su curva característica de la siguiente figura 1, así también la figura 2 muestra el símbolo del diodo zener. Figura 1. Curva característica de un diodo zener . Figura 2. Símbolo del diodo zener El límite superior de la corriente que puede circular por un diodo zener (Izmax), debe ser tomado en consideración en un diseño para evitar que el diodo zener se dañe por sobrecalentamiento, y el límite inferior permitirá que el zener se encuentre por arriba del codo que se forma al momento de entrar en la zona de ruptura inversa. Esta característica del diodo zener de mantener un voltaje fijo cuando la corriente varía, lo hace útil para ser utilizado como regulador de voltaje, sirviendo como fuente de alimentación para otro circuito o para generar un nodo que sirva como referencia de voltaje. Los diodos zener Se comercializan por su valor de voltaje (VZ), encontrándose de valores de 3.6, 3.9, 4.3, 4.7, 5.1, 5.6, 6.2, 6.8, 7.5, 8.2, 9.1, 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62 y 68 1.5. una resistencia limitadora de corriente llamada simplemente R. solo si la corriente IZ se logra mantener entre los valores I Zmin e IZmax. este demandará mayor corriente cuando el led este encendido que cuando esté apagado.volts (incluso algunos más elevados). esta corriente IL puede ser constante. Diseño de un circuito regulador de voltaje con diodo zener El circuito típico de un regulador de voltaje con diodo zener se muestra en la figura 3. y este será prácticamente constante. Estos límites son calculados de acuerdo a las siguientes ecuaciones: IZmax= PZ/VZ … Ecuación 1 IZmin=0. aunque no necesariamente es una simple resistencia. y por su potencia (PZ). 0. esta carga se simboliza como R L . 10 y hasta 50 watts. o un circuito donde se debe considerar la posible descarga de la carga. 5. esto haría que I L en un momento dado se deba considerar de un valor de cero). puede ser todo un circuito electrónico que requiera de ser alimentado al voltaje Vz y que consume una corriente IL .1 IZmax … Ecuación 2 IL es la corriente que demanda la carga conectada al circuito regulador. .25. siendo esta segunda condición más común en el comportamiento de un circuito (por ejemplo un circuito donde un led enciende y apaga. el diodo zener y una carga a la cual se le entrega el voltaje regulado y que consume cierta cantidad de corriente. de no ser así no habrá forma alguna de que exista una solución de diseño al circuito regulador de voltaje con diodo zener. Figura 3. o variable. existiendo de 0. Circuito típico de un regulador de voltaje con diodo zener En el circuito vemos que V OUT = VZ. La fuente de alimentación VAA será un elemento que como condición más importante que debe cumplir es que VAAVZ. consta de una fuente de alimentación a la que llamaremos VAA. Para análisis Si de la ecuación anterior despejamos el valor de R obtendremos: . Así entonces vemos que IT en todo momento puede tener un valor tan pequeño pero que al dividirse alcance al menos para cubrir los requerimientos de la corriente de carga y la corriente mínima de operación del diodo zener (Izmin. El párrafo anterior son condiciones muy importantes a tener en cuenta cuando generemos los procedimientos de diseño. Por otro lado si el zener está operando correctamente en la región de regulación. estará dado por: VR= VAA . Pero Iz no es de un valor único.VZ … Ecuación 4 De acuerdo a ley de Ohm y a las ecuaciones 3 y 4 que muestran la corriente y el voltaje en la resistencia limitadora de corriente R. esta tendrá un valor de : IT= IZ+IL … Ecuación 3 Es decir.VZ) / R= Iz + IL … Ecuación 5 tomando la primera sección de la ecuación 5 ( IT= VR/R). y de acuerdo al circuito de la figura 3. Así por tanto un valor correcto de esta resistencia permitirá estar en una región intermedia donde IT tenga un valor máximo tal que al suministrar la corriente a la carga IL. Aunque tambien IT puede ser tan grande queal dividirse suministre la corriente a la carga. o bien si R es demasiado pequeña IT podría ser muy grande. A través de esta resistencia circulara una corriente a la que llameremos IT . pudiéndose sobrepasar el valor de I Zmax y dañar el diodo zener. la ecuación 3 indica que por esta resistencia circula la suma de la corriente del zener y la que se suministra a la carga en cualquier momento. el voltaje en la resistencia limitadora de corriente. y el resto no sobrepase la corriente máxima soportada por el zener (Izmax). observamos que mientras mayor sea el valor de R. IT será cada vez más pequeña. que como podemos apreciar en la figura 3.La resistencia R será el elemento más importante a determinar en un diseño. sino que puede estar dentro de un rango entre Izmin e Izmax con el fin de que el diodo zener esté trabajando en la zona correcta de su curva característica y pueda actuar verdaderamente como un regulador de voltaje. obtenemos: IT= VR/R = (VAA . y podría no ser suficiente para cubrir las necesidades de IZmin e IL . el resto no sobrepase el valor de IZmax e IT tenga un valor mínimo tal que sea suficiente para suministrar IL e IZmin. otro factor importante de esta a ser tomado en cuenta. Ecuación 7 Por otro lado el valor más pequeño de resistencia limitadora de corriente. Una resistencia aún menor hará que al dividirse I T en IL el resto Iz sobrepase el valor de Izmax. Ecuación 6 De acuerdo a lo descrito anteriormente. y con ello generar un mal funcionamiento del circuito regulador de voltaje. 1. de donde a partir de la ecuación 6 podemos escribir: Rmax =(VAA. y elegir el valor resistivo de R en ese rango. y dado que esta potencia disipada realmente es energía desperdiciada. de los cuales tendremos 4 casos distintos que iremos describiendo a continuación.R=(VAA. dado el voltaje y la potencia del diodo zener a utilizar.VZ) /( Izmin + IL) ….VZ) /( Izmax + IL) ….8 y 10 serán la base para el procedimiento de diseño de reguladores de voltaje con diodo zener. Las ecuaciones 7. es la disipación de potencia que esta deberá poder llevar a cabo. Ecuación 8 Además del valor resistivo de la resistencia limitadora de corriente. Por lo anterior obtenemos que: Rmin =(VAA. Este es el caso de diseño más sencillo de resolver. lo más recomendable es hacerlo cercano al máxmo valor posible.. Ecuación 10 De esta última ecuación vemos que la potencia consumida por la resistencia limitadora de corriente será inversamente proporcional a su valor. la . por lo que al obtener los valores de Rmax y Rmin. el valor más grande de resistencia limitadora la corriente permitirá que IT alcance al menos para suministrar IL e Izmin. Diseño de un regulador de voltaje zener con V AA e IL fijas o constantes.VZ) /( Iz + IL) …. tenemos que: P=(VAA-Vz)2/R …. será cuando la corriente que la atraviese suministre tanto I L como Izmax. De no elegirse correctamente esta podría quemarse. Así tenemos entonces que la potencia eléctrica consumida por un dispositivo resistivo está dada como: P= V2/R … Ecuación 9 Y dado el voltaje que el voltaje entre la resistencia limitadora de corriente está dado por la ecuación 4. Como se observa en la ecuaciones 7 y 8. por consecuencia el valor de R debiera ser lo más grande posible. es deseable que esta potencia sea mínima.. b) Izmax=Pz/Vz=0. La solución a un diseño de este tipo se separa en hacer un doble cálculo del primer diseño explicado anteriormente. A continuación se enlistan los pasos a seguir en la solución: . Calcular Izmax e Izmin de acuerdo a las ecuaciones 1 y 2.1*Pz/Vz=0. 2.63W Por lo que comercialmente la potencia del resistor a adquirir debe ser de 1W o mayor. Diseño de un regulador de voltaje zener con VAA variable e IL fija. Se calcula un rango de valores de R tomando en cuenta solo el valor máximo de VAA. de acuerdo a los siguientes pasos: Verificar que VAA > Vz. e) Se calcula la disipación de potencia requerida en la resistencia limitadora de corriente a partir de la ecuación 10.5w/3. y el valor de la fuente de voltaje V AA a partir de la cual obtendremos el voltaje regulado.3v)2 / (120)=0. muchas fuentes de voltaje presentan ruido o rizo.1mA c) Rmin=(VAA – Vz)/(IL + Izmax)=(12v-3.1mA)=133.5w/3.5 w de potencia.28 Rmax=(VAA – Vz)/(IL + Izmin)=(12v-3. Este es un caso de diseño muy común. puede entregar un voltaje regulado a partir de una fuente de voltaje con estos problemas.3v= 151mA. es decir. de no ser así el diseño no es factible.3v. Un circuito regulador con diodo zener bien diseñado.3v)/(50mA+151mA)=43.3v)/(50mA+15.1*(0.3 volts y 0. pero que no es deseable ser aplicado a un circuito de carga. podemos encontrar el rango de valores de la resistencia limitadora de corriente que podemos utilizar. e) La capacidad de disipación de potencia requerida será: P= (VAA – Vz)2/R=(12v-3. Izmin=0. Calcular Rmin y Rmax a partí de las ecuaciones 7 y 8 Se elige un valor comercial de la resistencia limitadora de corriente en el rango de valores obtenidos (preferentemente lo más cercano a su valor máximo). que hace fluctuar su valor entre un límite máximo (VAAmax) y un mínimo (VAAmin). a) VAA= 12v y Vz=3. los valores que aplican como solución a ambos casos. Finalmente la solución general será la intersección de las dos soluciones individuales.64 d) Se puede elegir R=120 como valor comercial cercano a su valor máximo. a partir de una fuente de voltaje de 12 volts y que pueda suministrar 50mA a un carga conectada al mismo.corriente IL requerida por la carga que se va a conectar al regulador de voltaje. Solución. a) b) c) d) Ejemplo: se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un diodo zener de 3. después se calcula un segundo rango de valores de R tomando ahora el valor mínimo de V AA.3v)= 15. por lo tanto VAA >Vz y el diseño puede ser factible. b) Izmax=Pz/Vz=0.3v.33 Rmax=(VAAmin – Vz)/(IL + Izmin)=(10v-3. f) Se calcula la disipación de potencia requerida en la resistencia limitadora de corriente.1mA)=102.3v)= 15.1mA)=133. Izmin=0. Ejemplo: se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un diodo zener de 3.1*Pz/Vz=0.91. . por lo tanto V AAmin >Vz y el diseño puede ser factible. tomando el máximo voltaje que pueda existir sobre ella (con VAAmax). f) La capacidad de disipación de potencia requerida será: P= (VAA – Vz)2/R=(12v-3. c) Calcular Rmin y Rmax a partí de las ecuaciones 7 y 8 tomando en cuenta VAAmax d) Calcular Rmin y Rmax a partí de las ecuaciones 7 y 8 tomando en cuenta VAAmin e) Se busca el rango de valores (intersección) de las soluciones de c) y d) para la solución general y se elige un valor comercial de la resistencia limitadora de corriente en el rango de valores obtenidos (preferentemente lo más cercano a su valor máximo).1*(0. a partir de una fuente de voltaje que tiene fluctuaciones entre los 10 y 12 volts. a partir de la ecuación 10.3v)/(50mA+151mA)=43.5w/3.1mA c) Primer rango calculado a partir de VAAmax=12v Rmin=(VAAmax – Vz)/(IL + Izmax)=(12v-3. vemos que el rango de valores de R para este segundo diseño se volvió un poco más restringido. Podemos comparar este ejemplo con el mostrado para en primer diseño. b) Calcular Izmax e Izmin de acuerdo a las ecuaciones 1 y 2.5 w de potencia.3v)2 / (100)=0.3v)/(50mA+151mA)=33. de no ser así el diseño no es factible. A continuación veremos un ejemplo de esto. y este puede serlo aún más. hasta llegar un punto en que quizás no exista una solución (no exista una intersección de las dos soluciones individuales). a) VAAmin= 10v y Vz=3.28 Rmax=(VAAmax – Vz)/(IL + Izmin)=(12v-3.64 d) Segundo rango calculado a partir de VAAmin=10v Rmin=(VAAmin – Vz)/(IL + Izmax)=(10v-3.28 < R <102. y que pueda suministrar 50mA a un carga conectada al mismo.3v= 151mA. si las variaciones de la fuente VAA son mayores.a) Verificar que VAA > Vz.5w/3.3v)/(50mA+15.75W Por lo que comercialmente la potencia del resistor a adquirir debe ser de 1W o mayor.3v)/(50mA+15.3 volts y 0. En esos casos una alternativa es incrementar la potencia del diodo zener a utilizar durante el diseño. De donde se puede elegir R=100 como valor comercial cercano a su valor máximo.91 e) De los dos rango obtenidos anteriormente se obtiene que el rango que cumple para ambos (su intersección) es: 43. Solución. Para comprobar lo anterior repetiremos los cálculos del diseño anterior. b) Izmax=Pz/Vz=2w/3. a partir de una fuente de voltaje que tiene fluctuaciones entre los 4.72 Rmax=(VAAmax – Vz)/(IL + Izmin)=(5. b) Izmax=Pz/Vz=0.5v Rmin=(VAAmin – Vz)/(IL + Izmax)=(4. Solución.41 Rmax=(VAAmin – Vz)/(IL + Izmin)=(4.57 e) No existe un rango de intersección de ambas soluciones.3v)= 15.60 e) El rango de intersección de ambas soluciones es 2. por lo tanto V AAmin >Vz y el diseño puede ser factible. .5v-3.3v. a) VAAmin= 4.5w/3.5v Rmin=(VAAmin – Vz)/(IL + Izmax)=(4.3v)2/4. y que pueda suministrar 200mA a un carga conectada al mismo.3v)/(200mA+606mA)=2.5v-3.Ejemplo: se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un diodo zener de 3.3v= 606mA Izmin=0.60. por lo que no es posible generar un diseño bajo estas condiciones.5 volts.3v)/(200mA+15.1mA)=5.44 d) Segundo rango calculado a partir de VAAmin=4.6mA)=4.15W Comercialmente tendrá que utilizarse una potencia de 2W o mayor.5v-3.5v-3.2=1. Solución.1*(0.3v)/(200mA+151mA)=3. se recomienda incrementar la potencia del zener a utilizar. sin embargo en estos casos como ya se mencionó.3v)/(200mA+60.5v-3.3v)/(200mA+606mA)=1.6mA c) Primer rango calculado a partir de VAAmax=5.1*(2w/3. f) La potencia requerida para la resistencia limitadora de corriente será entonces: P=(VAAmax – Vz)2/R = (5.5v-3. pero ahora tomando en cuenta que la potencia del diodo zener a utilizar sea de 2W.1mA)=10.5v-3.5v y Vz=3. fue posible encontrar una solución de diseño.22 d) Segundo rango calculado a partir de VAAmin=4.3v)/(200mA+151mA)=6.5w/3.3v.3 volts y 0.5 w de potencia.72< R < 4. Comercialmente se puede elegir una resistencia de 4.1mA c) Primer rango calculado a partir de VAAmax=5.5v-3. Con este ejemplo se comprobó que al incrementar la potencia del zener.3v)= 60. a) VAAmin= 4.3v)/(200mA+15.2.6mA)=8.5v Rmin=(VAAmax – Vz)/(IL + Izmax)=(5.1*Pz/Vz=0.48 Rmax=(VAAmin – Vz)/(IL + Izmin)=(4.5v-3.3v= 151mA Izmin=0.1*Pz/Vz=0.5v y Vz=3. por lo tanto V AAmin >Vz y el diseño puede ser factible.5v Rmin=(VAAmax – Vz)/(IL + Izmax)=(5.26 Rmax=(VAAmax – Vz)/(IL + Izmin)=(5.3v)/(200mA+60.5 y 5. En el ejemplo anterior no fue posible encontrar un rango de intersección y eso indica que el diseño no es posible bajo las condiciones de diseño tomadas. 3v)= 15. Ejemplo: se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un diodo zener de 3.64 d) Segundo rango calculado a partir de ILmin=0mA . b) Calcular Izmax e Izmin de acuerdo a las ecuaciones 1 y 2.1*(0. es decir 0 < IL < 50mA. Finalmente la solución general será nuevamente la intersección de las dos soluciones individuales. calculando un rango de valores de R tomando en cuenta solo el valor máximo de IL.1*Pz/Vz=0. Este es un caso de diseño también muy útil y muy importante a tener en cuenta en circuitos reguladores de voltaje con diodo zener donde pueda llegar a ser común que la carga sea desconectada. f) Se calcula la disipación de potencia requerida en la resistencia limitadora de corriente. Izmin=0. La desconexión de la carga provocará que toda la corriente que antes se le entregaba a esta.3v)/(50mA+151mA)=43.. a) VAA= 12v y Vz=3. b) Izmax=Pz/Vz=0. esta corriente podría superar ahora la máxima corriente soportada por el zener y dañarlo.1mA c) Primer rango calculado a partir de ILmax=50mA Rmin=(VAA – Vz)/(ILmax + Izmax)=(12v-3. Diseño de un regulador de voltaje zener con IL variable y VAA fijo.3. Solución. A continuación se enlistan los pasos a seguir en la solución: a) Verificar que VAA > Vz.28 Rmax=(VAA – Vz)/(ILmax + Izmin)=(12v-3.3v.1mA)=133. c) Calcular Rmin y Rmax a partí de las ecuaciones 7 y 8 tomando en cuenta ILmax d) Calcular Rmin y Rmax a partí de las ecuaciones 7 y 8 tomando en cuenta ILmin e) Se busca el rango de valores (intersección) de las soluciones de c) y d) para la solución general y se elige un valor comercial de la resistencia limitadora de corriente en el rango de valores obtenidos (preferentemente lo más cercano a su valor máximo). por lo tanto VAA >Vz y el diseño puede ser factible. Así entonces si diseñamos un circuito de este tipo donde se considere que I L puede tomar un valor máximo en un momento dado (carga conectada) y un valor de cero en otro momento (carga desconectada) podremos evitar que el daño al diodo zener pueda presentarse.5w/3.3 volts y 0.3v)/(50mA+15. posteriormente después se calcula un segundo rango de valores de R tomando ahora el valor mínimo de IL.3v= 151mA.5 w de potencia. El procedimiento para la solución a un diseño es muy semejante al segundo tipo de diseño expuesto anteriormente. ahora se desvie por completo al zener. donde se debe de hacer un doble cálculo. a partir de una fuente de voltaje de 12v para suministrar una corriente de 50mA a una carga que puede llegar a desconectarse. proveniente desde IT. a partir de la ecuación 10.5w/3. de no ser así el diseño no es factible. b) Calcular Izmax e Izmin de acuerdo a las ecuaciones 1 y 2. d).Rmin=(VAAmax – Vz)/(ILmin + Izmax)=(12v-3. útil cuando por ejemplo la fuente a utilizar en el circuito regulador de voltaje tiene variaciones por ruido o rizo. c) Calcular Rmin y Rmax a partí de las ecuaciones 7 y 8 tomando en cuenta VAAmin e ILmin d) Calcular Rmin y Rmax a partí de las ecuaciones 7 y 8 tomando en cuenta VAAmin e ILmax e) Calcular Rmin y Rmax a partí de las ecuaciones 7 y 8 tomando en cuenta VAAmax e ILmin f) Calcular Rmin y Rmax a partí de las ecuaciones 7 y 8 tomando en cuenta VAAmax e ILmax g) Se busca el rango de valores (intersección) de las soluciones de c).3v)/(0mA+15. h) Se calcula la disipación de potencia requerida en la resistencia limitadora de corriente.3v)/(0mA+151mA)=57. Al igual que en el segundo tipo de diseño. y cuando también se quiere considerar la posibilidad de que I L fluctúe por ejemplo por una desconexión de la carga El procedimiento para la solución de un diseño de este tipo ahora se deberán encontrar cuatro soluciones individuales y a partir de la intersección de las cuatro se obtendrá la solución general.3v)2 / (120)=0.1mA)=576.61 < R < 133. . de no ser así el diseño no es factible.63W Por lo que comercialmente la potencia del resistor a adquirir debe ser de 1W o mayor.61 Rmax=(VAAmax – Vz)/(ILmin + Izmin)=(12v-3.64. puede llegar a ocurrir que no exista una intersección entre las dos soluciones. f) La capacidad de disipación de potencia requerida será: P= (VAA – Vz)2/R=(12v-3. variable y VAA Este es el caso más completo de diseño también. Las cuatro combinaciones para obtener las soluciones individuales será tomando V AAmin e ILmin. Diseño de un regulador de voltaje zener con I L variable. la tercera tomando VAAmax e ILmin y la cuarta tomando V AAmin e ILmin. a partir de la ecuación 10. 4. De donde se puede elegir R=120 como valor comercial cercano a su valor máximo. e) y f) para la solución general y se elige un valor comercial de la resistencia limitadora de corriente en el rango de valores obtenidos (preferentemente lo más cercano a su valor máximo). otra tomando VAAmin e ILmax. y de igual forma se recomienda probar nuevamente el diseño incrementando la potencia del diodo zener a utilizar.15 e) De los dos rango obtenidos anteriormente se obtiene que el rango que cumple para ambos (su intersección) es: 57. A continuación se enlistan los pasos a seguir en la solución: a) Verificar que VAA > Vz. 3v)/(0mA+15.3v)/(0mA+15.61 < R < 102. .61 < R < 133. Izmin=0.37 < R < 102.1mA)=133.7 d) Segundo rango calculado a partir deVAAmin=10v e ILmax=50mA Rmin=(VAAmin – Vz)/(ILmin + Izmax)=(10v-3.3v.5w/3.1mA c) Primer rango calculado a partir deVAAmin=10v e ILmin=0mA Rmin=(VAAmin – Vz)/(ILmin + Izmax)=(10v-3.64 .91. puede llegar a ocurrir que no exista una intersección entre las cuatro soluciones. por lo tanto V AA >Vz y el diseño puede ser factible.3v)/(0mA+151mA)=57.91 e) Tercer rango calculado a partir deVAAmax=10v e ILmin=0mA Rmin=(VAAmax – Vz)/(ILmin + Izmax)=(12v-3.3v)/(50mA+151mA)=43.37 Rmax=(VAAmin – Vz)/(ILmin + Izmin)=(10v-3.28 Rmax=(VAAmax – Vz)/(ILmax + Izmin)=(12v-3.1mA)=443.3v)/ (50mA+15. a partir de una fuente de voltaje que varia entre 10 y 12v para suministrar una corriente de 50mA a una carga que puede llegar a desconectarse.1mA)=576.1*Pz/Vz=0.3v)/(0mA+151mA)=44. de aquí podemos elegir comercialmente un valor de R=100.1mA)=102. b) Izmax=Pz/Vz=0.Ejemplo: se requiere generar un circuito regulador de voltaje utilizando un diodo zener de 3.61 Rmax=(VAAmax – Vz)/(ILmin + Izmin)=(12v-3. es decir 0 < I L < 50mA. Al igual que en el segundo y tercer tipo de diseño.75W Por lo que comercialmente la potencia del resistor a adquirir debe ser de 1W o mayor.33 Rmax=(VAAmin – Vz)/(ILmin + Izmin)=(10v-3. pudiéndose analizar por parejas vemos que entre el primer y segundo rango la intersección va para 44.3 volts y 0.15 f) Cuarto rango calculado a partir deVAAmax=10v e ILmax=0mA Rmin=(VAAmax – Vz)/(ILmax + Izmax)=(12v-3.1*(0. a) VAA= 12v y Vz=3.5w/3.3v)2 / (100)=0.3v= 151mA. Finalmente la solución general ahora obtenemos la intersección de esto dos rangos de valores. y de igual forma se recomienda intentar nuevamente calcular el diseño utilizando un diodo zener de mayor potencia.3v)/(50mA+151mA)=33. Solución.64 g) De los dos rango obtenidos anteriormente se obtiene que el rango que cumple para los cuatro (su intersección).5 w de potencia.91.3v)= 15. Para el trecer y cuarto rango podemos encontrar que 57.3v)/ (50mA+15. h) La capacidad de disipación de potencia requerida será: P= (VAAmax – Vz)2/R=(12v-3. obteniéndose 57.