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• Ruth Manriquez

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OBJETIVOS

PRACTICA 2 CARACTERÍSTICAS DEL DIODO ZENER

1) Medir los efectos de las polarizaciones directa e inversa en la corriente de un diodo Zener. 2) Determinar y graficar las características de voltajecorriente de un diodo Zener 3) Construír un regulador de voltaje Zener y determinar, de manera experimental, el intervalo dentro del cual el diodo Zener produce un voltaje constante.

INFORMACION BASICA Funcionamiento del diodo Zener Las características de un diodo de estado sólido dependen del material semiconductor del cual está hecho el diodo, del tipo y grado de "contaminación" de dicho material y de la construcción física y dimensiones del dispositivo. El diodo semiconductor que estudió en el experimento 1 funciona dentro de los valores característicos de su polarización directa. Existe otro tipo de diodos conocidos como diodos Zener, cuyas características especiales de corriente y voltaje en polari zación inversa se utilizan en aplicaciones del todo diferentes de las del diodo de cristal. En la figura 2-1 se muestra el símbolo de un diodo Zener. La figura 2-2 es la gráfica de las características de voltaje-corriente de un diodo Zener. Cuando el diodo tiene polarización directa se comporta como un interruptor cerrado y la corriente directa se incrementa al aumentar el voltaje. La corriente directa está limitada por los parámetros del circuito. Cuando el diodo tiene polarización inversa, circula una pequeña corriente

inversa, Is. llamada corriente de saturación. Is es relativamente constante aunque aumente el valor de la polarización inversa, hasta llegar a la región de disrupción Zener, cercana al voltaje Zener, Vz. Alrededor de esta región la corriente inversa empieza a aumentar con rapidez debido al efecto de avalancha. Por último se produce la disrupción Zener (un súbito aumento de la corriente) cuando se alcanza el valor de voltaje Zener, Vz. En esta región una pequeña variación del voltaje produce un enorme cambio en la corriente. Es obvio que, en esta región, tienen lugar cambios notables en la resistencia efectiva de la unión PN. La disrupción Zener no necesariamente provoca la destrucción del diodo. En tanto la corriente que circula por el diodo esté limitada por el circuito externo a un nivel dentro de su capacidad de potencia admisible, el diodo funcionará con normalidad. Además, al reducir la polarización inversa a valores inferiores al del voltaje Zener, el diodo sale de su nivel de disrupción y regresa a su nivel de corriente de saturación. Este proceso de alternar al diodo entre sus estados de corriente Zener y de corriente no Zener se puede repetir una y otra vez sin dañar al diodo. Sin embargo, se debe recordar que cuando el diodo cambia de un estado a otro hay cierto retraso llamado tiempo de recuperación. Especificaciones Los fabricantes de diodos proporcionan una hoja de especificaciones para cada tipo de diodo Zener. Éstas incluyen el voltaje Zener, el intervalo de tolerancia del voltaje Zener, los límites de corriente Zener, la disipación máxima de potencia, la temperatura de operación máxima, la impedancia Zener máxima en ohms, el factor de corrección térmica en mili vatios por grado Celsius CC) (antes centígrados) y la corriente de fuga inversa. También se indican el tipo de material utilizado en el diodo (por ejemplo, silicio) y las posibles aplicaciones de dicho diodo. El valor del voltaje de ruptura de un diodo depende del material y de su construcción. Los diodos Zener se diseñaron para producir voltajes Zener entre uno y varios cientos de volts. El diseñador de circuitos dispone de una gran variedad de diodos para elegir los que por sus características más se aproximen a las necesidades del circuito. Aplicaciones Los diodos Zener se utilizan como reguladores de voltaje y como patrones de referencia de voltaje. La figura 2-3 muestra el circuito de un diodo empleado como regulador en paralelo. El diodo está en paralelo con un resistor de carga R¿, y su función es mantener un voltaje constante en la carga, dentro de los límites requeridos, cuando cambie ya sea el suministro de cd o la resistencia de carga y, por ende, la corriente.

RESUMEN 1. Un diodo Zener mantiene un voltaje constante Vz en su salida si está inversamente polarizado y funciona según sus características especificadas. 2. Cuando el diodo funciona en su voltaje Zener, Vz, los cambios mínimos de voltaje en el diodo producen cambios de corriente más o menos grandes, Iz, en el diodo. 3. Las especificaciones de los diodos Zener incluyen: a) voltaje Zener, Vz, b) intervalo de tolerancia del Vz, c) límites de la corriente Zener, d) máxima disipación de energía y e) máxima temperatura de operación. 4. Hay diodos Zener que producen voltajes entre uno y varios cientos de volts. 5. Los diodos Zener se utilizan como reguladores de voltaje y también como patrón de referencia de voltaje.

PROCEDIMIENTO Material Fuente de alimentación: fuente de cd regulada variable. Equipo: multímetro digital Resistores: 3 300 na llz W; 500 na 5 W; resistores para el procedimiento de puntos adicionales. Semiconductores: lN3020 (otra opción: cualquier diodo Zener de 10 V Y 1 W).

Características voltaje-corriente: Polarización inversa. 1. Arme el circuito de la figura 2-4. El interruptor S está abierto. VAA es una fuente de alimentación regulada, calibrada a O V. M es un multímetro de 20 000 n/V calibrado en el rango de la corriente más baja. 2. Cierre S. Mida la corriente del diodo I, si la hay, con un VAA calibrado a O V. Anote los resultados en la tabla 2-1. 3. Ajuste la salida de VAA de manera que el voltaje VAS medido en el diodo sea de 2.0 V. Mida la corriente del diodo. Anote los resultados en la tabla 2-1. 4. Repita el paso 3 por cada valor de VAS que aparezca en la tabla 2-1. Cambie el intervalo de M según se requiera. Calcule la resistencia Rz del diodo (Rz = VAS/!) y anote los resultados obtenidos en la tabla 2-1.

Paso 2 3 4 4 4 5

V AB 0.0V 2.0V 6.0 V 7.0 V 8.0V 11.90V

I , mA 0 0.2µA 0.5µA 0.7µA 0.8µA 2.0m A

Rz

Paso 6 6 6 6 6 6

V AB 12.1V 12.3V 12.73V 13.19V 13.35V X

Rz

I , mA 5 10 20 30 33.7 X

X

5. Ajuste el valor de VAA de manera que la corriente del diodo I sea de 2 mA. Mida el voltaje VAS del diodo y anótelo en la tabla 2-1. Calcule Rz y anote su valor en la tabla 2-1. 6. Repita el paso 5 para todos los valores de corriente y anote los valores respectivos de VAS y Rz en la tabla 2-1.

Características voltaje-corriente: Polarización directa. 7. Abra S interrumpiendo la alimentación al circuito. Ponga la salida de la fuente de alimentación en O V. Invierta la posición del diodo en el circuito. 8. Cierre S. Mida y anote en la tabla 2-2 la corriente directa del diodo para cada nivel de voltaje VAS en la tabla. Calcule la resistencia directa RF = VAs/I k. Anote los resultados en la tabla 2-2. 9. Con base en los resultados de las tablas 2-1 y 2-2, trace en papel cuadriculado una gráfica de: a) La corriente del diodo (eje vertical) en función del voltaje del diodo. b) Dibuje una gráfica amplificada de la corriente del diodo en función del voltaje dentro de la regiónZener. Tabla 2-2. Polarización directa V AB Paso 0 0.1 8 I , mA 0 0

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0

0

0

0.2µA

3.6µA

0.7 174m A

RF

El diodo Zener como regulador de voltaje 10. Arme el circuito de la figura 2-5. El interruptor S está abierto. La salida de la fuente de alimentación VAA es igual a OV. M es el mili amperímetro calibrado para el intervalo de 100 mA.

11. Cierre S. Aumente poco a poco el voltaje de alimentación VAA hasta que la corriente l z del diodo dé una lectura de 20 mA. Mida el voltaje de alimentación VAA y el voltaje VAB en la carga. Anote los resultados en la tabla 2-3. Mida la corriente total IT. Anote los resultados en la tabla 2-3. 12. Calcule el intervalo de variación de VAB en el cual VAB es constante dentro de ± 0.1 V de su valor en el paso 11. Mida la variación de lz e IT dentro de este intervalo; anote los resultados en la tabla 2-3. V AB I z , mA I T ,mA V AA Paso V 11 12.86V 20 24.6mA 26.4V AB V +0.1 12 12.84V 20.4mA 24.7mA 26.5V AB V AB−0.1 12 12.88V 20mA 24.46mA 26.3V

Conclusión Durante esta práctica hemos logrado comprender el comportamiento de los diodos zener, y hemos podido observar por qué razón es que estos son utilizados en los reguladores de voltajes pues han sido diseñados especialmente para trabajar en la zona de ruptura. Cuando un zener esta polarizado de manera directa, se comportará como un diodo normal, y cuando está polarizado de manera inversa, mientras el voltaje sea menor al voltaje indicado en la hoja de datos del zener únicamente pasará una minima corriente por el diodo, sin embargo, cuando el voltaje de entrada a superado al voltaje del zener el voltaje del zener se mantendrá constante en sus terminales. Es importante colocar una resistencia en serie entre la fuente y el diodo zener para limitar la corriente a un valor menor al de la limitación, pues de no ser así el diodo zener se quemaría. Captura del circuito de prueba en físico: