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• Gonzales Navarro

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4. Diodos de Propósito General Electrónica Analógica

Diodos de Propósito General El Diodo Zener • Una aplicación importante de los diodos zener es regular voltaje para producir voltajes de referencia estables para usarlos en fuentes de alimentación, voltímetros y otros instrumentos • Un diodo Zener es un dispositivo de silicio con unión pn diseñado para operar en la región de ruptura en inversa. El voltaje de ruptura de un diodo zener se ajusta controlando cuidadosamente el nivel de dopado durante su fabricación.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Ruptura Zener

• Los diodos zener se diseñan para operar en condición de ruptura en inversa; en un diodo tal, los dos tipos de ruptura en inversa son la de avalancha y zener. El efecto de avalancha, que se describió anteriormente, ocurre tanto en diodos rectificadores como en los zener a un voltaje inverso suficientemente alto. • La ruptura Zener ocurre en un diodo zener a voltajes en inversa bajos. Un diodo Zener se dopa en exceso para reducir el voltaje de ruptura; esto crea una región de empobrecimiento muy estrecha. En consecuencia, existe un intenso campo eléctrico adentro de la región de empobrecimiento. Cerca del voltaje de ruptura zener (VZ), el campo es suficientemente intenso para jalar electrones de sus bandas de valencia y crear corriente.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Características de Ruptura • Observe que conforme se incrementa el voltaje en inversa (VR), la corriente en inversa (IR) permanece extremadamente pequeña hasta la “inflexión” de la curva. • La corriente en inversa también se llama corriente zener, IZ. • En este punto, se inicia el efecto de ruptura: la resistencia Zener interna, también llamada impedancia zener (ZZ), comienza a reducirse a medida que la corriente se incrementa rápidamente. • Desde la parte inferior de la inflexión, el voltaje de ruptura zener (VZ) permanece esencialmente constante aunque se incrementa un poco a medida que se incrementa la corriente zener, IZ.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Regulación Zener

• La característica clave del diodo zener es su capacidad de mantener el voltaje en inversa esencialmente constante a través de sus terminales. Un diodo zener que opera en condición de ruptura actúa como regulador de voltaje porque mantiene un voltaje casi constante a través de sus terminales durante un intervalo especificado de valores de corriente en inversa. • Se debe mantener un valor mínimo de corriente en inversa, IZK para mantener el diodo en condición de ruptura para regulación de voltaje. En la curva de la figura se ve que cuando la corriente en inversa se reduce por debajo de la inflexión de la curva, el voltaje se reduce drásticamente y se pierde la regulación. • Además, existe una corriente máxima, IZM, por encima de la cual el diodo puede dañarse por la excesiva disipación de potencia. Por lo tanto, básicamente, el diodo Zener mantiene un voltaje casi constante a través de sus terminales, con valores de corriente en inversa que van desde IZK hasta IZM. • Normalmente se especifica un voltaje nominal del zener, VZ, en una hoja de datos a un valor de corriente en inversa llamada corriente de prueba zener.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Circuito Equivalente de un Zener. Modelo Ideal.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Circuito Equivalente de un Zener. Modelo Práctico.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Coeficiente de Temparatura

• Especifica el cambio en porcentaje del voltaje del Zener por cada cambio de un grado Celsius de la temperatura. Por ejemplo, un diodo Zener de 12 V con coeficiente de temperatura positivo de 0.01% / °C experimenta un incremento de 1.2 mV en VZ cuando la temperatura de la unión aumenta un grado Celsius. • La fórmula para calcular el cambio en el voltaje del Zener para un cambio de temperatura de la unión dado, con un coeficiente de temperatura dado, es:

• donde VZ es el voltaje nominal del Zener a la temperatura de referencia de 25°C, TC es el coeficiente de temperatura y DT es el cambio de temperatura con respecto a la temperatura de referencia. • En algunos casos, el coeficiente de temperatura se expresa en mV / °C en lugar % /° C.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Disipación y reducción de la potencia nominal del Zener

• Los diodos zener se especifican para que operen a una potencia máxima llamada disipación de potencia máxima en cd, PD(máx). Por ejemplo, el zener 1N746 tiene una PD(máx) de 500 mW y el 1N3305A de 50 W. La disipación de potencia en cd se determina con la fórmula,

• Reducción de potencia nominal. La disipación de potencia máxima de un diodo zener por lo general se especifica para temperaturas de, o menos de, un cierto valor (50°C, por ejemplo). Por encima de la temperatura especificada, la disipación de potencia se reduce de acuerdo con un factor de reducción nominal. El factor de reducción nominal se expresa en mW/°C. La potencia reducida nominal máxima se determina con la fórmula siguiente:

Diodos de Propósito General El Diodo Zener. Hoja de Datos

Diodos de Propósito General El Diodo Zener. Hoja de Datos

• Valores nominales máximos absolutos. La disipación de potencia máxima, PD, se especifica como 1.0 W hasta 50°C. En general, el diodo Zener deberá ser operado por lo menos a 20 por ciento por debajo de este máximo para asegurar la confiabilidad y una vida útil más larga. La disipación de potencia se reduce nominalmente como se muestra en la hoja de datos a 6.67 mW por cada grado por encima de 50°C.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener. Hoja de Datos • Valores nominales máximos absolutos. Observe que no se especifica una corriente en inversa máxima sino que puede ser determinada a partir de la disipación de potencia máxima para un valor dado de VZ. Por ejemplo, a 50°C, la corriente máxima del Zener con un voltaje del Zener de 3.3 V es:

• La temperatura de operación en la unión, TJ, y la temperatura de almacenamiento, TSTG, tienen un intervalo de -65°C a 200°C.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener. Hoja de Datos

Diodos de Propósito General

El Diodo Zener. Hoja de Datos Características eléctricas. La primera columna en la hoja de datos contiene los números del tipo de zener, 1N4728A a 1N4764A. • Voltaje del Zener, VZ y corriente de prueba del Zener, IZ. Para cada tipo de dispositivo se dan los voltajes mínimo, típico y máximo del Zener. VZ está medido a la corriente de prueba del Zener especificada, IZ. Por ejemplo, el voltaje del Zener para un 1N4728A puede variar desde 3.315 V hasta 3.465 V, con un valor típico de 3.3 V con una corriente de prueba de 76 mA. • Impedancia máxima del Zener. ZZ es la impedancia máxima del Zener con la corriente de prueba especificada, IZ. Por ejemplo, para un 1N4728A, ZZ es de 10 ohmios con 76 mA. La impedancia máxima del Zener, ZZK, en la inflexión de la curva característica se especifica con IZK, la cual es la corriente en la inflexión de la curva. Por ejemplo, ZZK es de 400 ohmios con 1 mA para un 1N4728A. • Corriente de fuga. La corriente de fuga en inversa se especifica para un voltaje en inversa menor que el voltaje de inflexión. Esto significa que el Zener no está en la condición de ruptura en inversa con estas mediciones. Por ejemplo IR es de 100 mA con un voltaje en inversa de 1 V en un 1N4728A.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Regulación con diodo Zener de un voltaje de entrada variable

• Los reguladores con diodo Zener producen un nivel de cd razonablemente constante a la salida, aunque no son particularmente eficientes. Por esta razón, están limitados a aplicaciones que requieren sólo baja corriente en la carga. • A medida que el voltaje de entrada varía (dentro de los límites), el diodo Zener mantiene un voltaje de salida casi constante a través de sus terminales. • Sin embargo, a medida que VENT cambia, IZ lo hace proporcionalmente de modo que los valores de corriente mínimo y máximo (IZK e IZM) limitan la variación del voltaje de entrada con el que el Zener puede operar. • El resistor R es el limitador de corriente en serie. Los medidores indican los valores relativos y tendencias.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Regulación con diodo Zener de un voltaje de entrada variable

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Regulación con diodo Zener de un voltaje de entrada variable

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Regulación con diodo Zener de un voltaje de entrada variable

• Para ilustrar la regulación, se utilizará el modelo ideal del diodo Zener 1N4740A (omitiendo su resistencia) del circuito de la figura. • La corriente absoluta más baja que mantendrá la regulación se especifica con IZK, la que para el 1N4740A es de 0.25 mA y representa la corriente sin carga. • La corriente máxima no aparece en la hoja de datos, pero se calcula a partir de la especificación de potencia de 1 W, la cual sí aparece en la hoja de datos. • Tenga en cuenta que tanto los valores máximos como los mínimos se encuentran en los extremos de operación y representan la operación en el peor de los casos.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Regulación con diodo Zener de un voltaje de entrada variable

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Regulación con diodo Zener de una carga variable

• La figura muestra un regulador de voltaje con diodo Zener con un resistor de carga variable a través de las terminales. El diodo Zener mantiene un voltaje casi constante a través de RL en tanto que la corriente del Zener sea mayor que IZK y menor que IZM.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Regulación desde cero hasta carga plena

• Cuando las terminales de salida del regulador Zener están abiertas (RL= infinito), la corriente de carga es cero y toda la corriente circula a través del Zener; ésta es una condición sin carga. • Cuando se conecta un resistor de carga (RL), una parte de la corriente total circula a través del Zener, y una parte a través de RL. • La corriente total a través de R permanece en esencia constante en tanto el Zener esté regulando. • A medida que RL se reduce, la corriente de carga, IL, se incrementa e IZ se reduce. El diodo Zener continúa regulando el voltaje hasta que IZ alcanza su valor mínimo, IZK. • En este momento la corriente de carga es máxima y existe una condición de plena carga.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Regulador de Voltaje

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Limitadores con Zener

• Además de aplicaciones de regulación de voltaje, los diodos Zener se utilizan en aplicaciones de ca para limitar las excursiones de voltaje a niveles deseados. • La figura muestra tres formas básicas en las que la acción limitadora de un diodo Zener puede ser utilizado. La parte (a) muestra un Zener utilizado para limitar el pico positivo de un voltaje de señal al voltaje Zener seleccionado. Durante la alternancia negativa, el Zener actúa como diodo polarizado en directa y limita el voltaje negativo a -0.7 V. • Cuando se invierte la posición del Zener, como en la parte (b), el pico negativo la acción Zener limita el pico negativo y el voltaje positivo se limita a +0.7 V. • Dos diodos Zener espalda con espalda limitan ambos picos al voltaje Zener +-0.7 V, como lo muestra la parte (c). Durante la alternancia positiva, D2 funciona como limitador Zener y D1 como un diodo polarizado en directa. Durante la alternancia negativa, los roles se invierten.

Diodos de Propósito General El Diodo Zener Limitadores con Zener

Diodos de Propósito General El Diodo Varactor • La capacitancia en la unión de los diodos varía con la cantidad de polarización en inversa.

• Los diodos varactores están diseñados especialmente para aprovechar esta característica y se utilizan como capacitores controlados por voltaje en lugar de los diodos tradicionales. • Estos dispositivos se utilizan comúnmente en sistemas de comunicación. Los diodos varactores también se conocen como varicaps o diodos sintonizadores. • Un varactor es un diodo que siempre opera con polarización inversa y se dopa para incrementar al máximo la capacitancia inherente de la región de empobrecimiento. La región de empobrecimiento actúa como el dieléctrico del capacitor debido a su característica no conductora. • Las regiones p y n son conductoras y actúan como las placas de un capacitor, como se muestra en la figura.

Diodos de Propósito General El Diodo Varactor

Diodos de Propósito General El Diodo Varactor

Diodos de Propósito General El Diodo Varactor

Diodos de Propósito General El Diodo Varactor. Hoja de Datos parcial de los diodos varactores Zetex serie 830

Diodos de Propósito General El Diodo Varactor. Hoja de Datos parcial de los diodos varactores Zetex serie 830

Diodos de Propósito General

El Diodo Varactor. Una Aplicación • Una aplicación importante de los varactores se encuentra en circuitos de sintonización. Por ejemplo, los receptores de VHF, UHF y satelitales utilizan varactores. Éstos también se utilizan en comunicaciones celulares. • Cuando se utilizan en un circuito resonante paralelo, como lo ilustra la figura, el varactor actúa como capacitor variable, permitiendo así que la frecuencia de resonancia sea ajustada por un nivel de voltaje variable. • El diodo varactor aporta la capacitancia variable total en el filtro pasobanda resonante en paralelo. El diodo varactor y el inductor forman un circuito resonante paralelo desde la salida hasta la tierra de ca. • Los capacitares C1 y C2 no afectan la respuesta en frecuencia del filtro porque sus resonancias son insignificantes a las frecuencias de resonancia. • C1 evita que se forme una trayectoria de cd desde el cursor del potenciómetro de regreso a la fuente de ca a través del inductor y R1 . • C2 impide que se forme una trayectoria de cd desde el cursor del potenciómetro hasta una carga localizada a la salida. • El potenciómetro R2 produce un voltaje de cd variable para polarizar el varactor. El voltaje de polarización en inversa a través del varactor puede ser variado con el potenciómetro

Diodos de Propósito General El Diodo Varactor. Una Aplicación

Diodos de Propósito General Otros Tipos de Diodos • Diodos Ópticos:LED, Displays LEDs, OLED, Foto Diodo.

• El Diodo Laser • El Diodo Shottky • El Diodo PIN

• El Diodo de Recuperación Abrupta • El Diodo Túnel • El Diodo Regulador de Corriente