12 Ejercicios de Diodo Zener

TENSIÓN DE ENTRADA Vi FIJA - RESISTENCIA DE CARGA RL FIJA El tipo de circuito más simple con diodo Zener es el que muestra en la siguiente figura

La tensión aplicada y la resistencia de carga son fijas. Si la tensión en los extremos del diodo Zener es igual o mayor que VZ el diodo Zener conduce, fijándose en este nivel y nunca alcanzará uni nivel más alto que VZ. Los diodos Zener se utilizan en los circuitos reguladores de tensión o como voltaje de referencia. Si el diodo Zener se utiliza como voltaje de referencia, ofrecerá un nivel para compararlo con otras tensiones. El análisis se realiza en dos pasos. 1.- Determinación del estado de conducción del diodo Zener eliminándolo del circuito y calculando la tensión a través del circuito abierto resultante. Una aplicación de la regla del divisor de tensión resultará:

Siendo VL la tensión en los extremos de la resistencia de carga RL . Si V es igual o mayor que VZ es diodo estará en estado de conducción. Si V < VZ el diodo no conduce 2.- Sustituir el diodo Zener por una fuente de tensión igual a V Z y resolver para las incógnitas deseadas.

Puesto que las tensiones en los extremos de los elementos paralelos deben ser iguales, se encuentra que: VL = VZ La intensidad del diodo Zener se calcula con la aplicación de la ley de corriente de Kirchhoff: IR = IZ + IL

e IZ = IR - IL

donde

La potencia disipada por el diodo Zener está determinada por: PZ = VZ IZ La cual debe ser menor que la potencia del diodo Zener PZM Ejemplo:

a) Para el circuito de la figura anterior, determinar VL, VR, IZ y PZ. b) Calcular los mismos parámetros con RL = 3 kΩ Solución: a) La aplicación de la ecuación correspondiente da:

Como V = 8,73 V es menor que Vz =10 V, el diodo está en estado de no conducción. En estas condiciones analizamos es circuito prescindiendo del diodo Zener y encontramos que: VL = V = 8,73 V VR = Vi - VL = 16 V - 8,73 V = 7,27 V IZ = 0 A PZ = VZ IZ = 0 V b) Procedemos como en el caso a):

Ahora obtenemos V = 12 V que al ser mayor que V Z = 10 V, el diodo Zener estará estado de conducción y los resultados serán: VL = V = 10 V VR = Vi - VL = 16 V - 10 V = 6 V

de tal forma que IZ = IR - IL = 6 mA - 3,33 mA = 2,67 mA La potencia disipara sería PZ = VZ IZ = 10 V * 2,67 mA = 26,7 mW, menor que la potencia especificada para el diodo Zener PZM = 30 mW

TENSIÓN DE ENTRADA Vi FIJA - RESISTENCIA DE CARGA RL VARIABLE Debido a la tensión VZ , existe un rango de valores de resistencias ( y por tanto, de corriente de carga) que asegurará que el diodo Zener está en estado de conducción. Un resistencia de carga R L muy pequeña generará una tensión VL a través de la resistencia de carga menor que V Z y el diodo Zener pasará al estado de no conducción. Para calcular la resistencia de carga mínima que llevará al Zener al estado de conducción, sencillamente se

calcula el valor de RL y dará como resultado un voltaje de carga VL = VZ

Resolviendo RL se tiene:

Cualquier valor de la resistencia de carga mayor que el resultado de la ecuación anterior asegurará que el diodo Zener está en estado de conducción y que el Zener puede ser reemplazado por su fuente equivalente VZ . Esa misma ecuación establece la RL mímima, pero a su vez especifica la ILmáxima como:

Una vez que el Zener está en estado de conducción, la tensión a través de R permanece constante en: VR = Vi - VZ IR permanece fija en:

y la intensidad Zener IZ = IR - IL Resultando una IZ mínima cuando IL es máxima y una IZ máxima cuando IL tiene un valor mínimo debido a que IR es constante. Dado que IZM está limitada por las especificaciones del fabricante, afecta el rango de R L y, por tanto, al de I L. Sustituyendo IZM por IZ establecemos la IL mínima como: ILmin = IR - IZM y la resistencia de carga máxima como:

Ejemplo: a) Para el circuito mostrado abajo calcular el rango de RL y de IL que resulta cuando VRL se mantenga en 10 V b) Calcular el valor de disipación máxima del diodo en vatios.

Solución: Para calcular el valor de RL que llevará al estado de conducción al diodo Zener, aplicamos la ecuación:

La tensión en los extremos de la resistencia R sería: VR = Vi - VZ = 50 V - 10 V = 40 V La intensidad a través de IR la calculamos:

El nivel mínimo de ILlo calculamos con la ecuación: ILmin = Iasub>R - IZM = 40 mA - 32 mA = 8 mA y el valor máximo de RL

b) Pmax = V Z* IZM = 10 V * 32 mA = 320 mW

TENSIÓN DE ENTRADA VI VARIABLE - RESISTENCIA DE CARGA RL FIJA Para valores fijos de RL del circuito de la siguiente figura, la tensión Vi deber ser lo suficientemente grande como para llevar al diodo Zener al estado de conducción.

La tensión mínima de encendido Vi = Vimin está determinada por:

y El valor máximo de Vi está limitador por la intensidad Zener máxima IZM . Debido a que IZM = IR - Il IRmax = IZM + IL Debido a que IL es fija en VZ / RL y que IZM es el valor máximo de IZ, la máxima Vi se define por: Vimax = VRmax + VZ y

Vimax = IRmax R + VZ

Ejemplo: Calcular el rango de valores de Vi que mantendrán al diodo Zener en estado de conducción, en el circuito de la figura siguiente.

Solución:

IRmax = IZM + IL = 60 mA + 16,67 mA = 76,67 mA VImax = (IRmax * R) + VZ = (76,67 mA * 0,22 kΩ) + 20 V = 36,87 V Los resultados revelan que con una R L fija, la tensión de salida permanecerá fija en 20 V para un rango de tensión comprendido entre23,67 V y 36.87 V. Pueden establecerse dos o más niveles de referencia colocando diodos en serie como se indica en la siguiente figura

Mientras Vi sea mayor que la suma de VZ1 y VZ2 ambos diodos estarán en estado de conducción y estarán disponibles tres tensiones de referencia. También se pueden utilizar dos diodos conectados en oposición como un regulador de corriente alterna como se indica en la figura siguiente

Para el semiperiodo positivo de la señal senoidal V i el diodo Z1 está en una región de baja impedancia y el diodo Z2 está en una región de alta impedancia. El resultado es que la forma de onda senoidal se recortará a la tensión Zener de Z2 . Para el semiperiodo negativo, ocurrirá exactamente igual. Estos recortes de la señal provocan que la señal de salida Voaparezcan como una señal de onda cuadrada.