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OBJETIVOS. 

Obtener y comparar las curvas características (V-I), de tres diodos zener con diferentes voltajes de ruptura, en cada caso, medir el voltaje de umbral y el voltaje zener. Determinar las resistencias estáticas y dinámicas en la región directa de conducción (en un punto QD) y en la región de ruptura zener (en un punto de operación Qz).

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Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en el voltaje de ruptura de los tres diodos zener, por el efecto del aumento en la temperatura ambiente.

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Observar y reportar las variaciones que presenta el voltaje zener (voltaje de salida del circuito), cuando se presentan variaciones del voltaje de entrada y de la corriente en la carga (RL), en el circuito típico regulador de voltaje paralelo con zener.

DESARROLLO EXPERIMENTAL. Conceptos Básicos: El diodo zener sirve para regular o estabilizar el voltaje en un circuito. Esto quiere decir que tiene la propiedad de mantener en sus extremos una tensión constante gracias a que aumenta la corriente que circula por el : En el cuerpo del diodo suele venir indicada la tensión a la que estabiliza

Diodo zener Un diodo zener, es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas. Llamados a veces diodos de avalancha o de ruptura, el diodo zener es la parte esencial de los reguladores de tensión casi constantes con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensión de red, de la resistencia de carga y temperatura. El diodo zener se representa en los esquemas con el siguiente símbolo: Resistencia zener Un diodo zener, como cualquier diodo, tiene cierta resistencia interna en sus zonas P y N;

al circular una corriente a través de este se produce una pequeña caída de tensión de ruptura. En otras palabras: si un diodo zener está funcionando en la zona zener, un aumento en la corriente producirá un ligero aumento en la tensión. El incremento es muy pequeño, generalmente de una decima de volt. Los diodos zener mantienen la tensión entre sus terminales prácticamente constante, cuando están polarizados inversamente, en un amplio rango de intensidades y temperaturas, por ello, este tipo de diodos se emplean en circuitos estabilizadores o reguladores de la tensión tal y como el mostrado en la figura. Eligiendo la resistencia R y las características del diodo, se puede lograr que la tensión en la carga (RL) permanezca prácticamente constante dentro del rango de variación de la tensión de entrada VS. Para elegir la resistencia limitadora R adecuada hay que calcular primero cual puede ser su valor máximo y mínimo, después elegiremos una resistencia R que se adecue a nuestros cálculos. Rmin =

Rmax =

Donde: Rmin = es el valor mínimo de la resistencia limitadora. Rmax = es el valor máximo de la resistencia limitadora. Vsmax = es el valor máximo de la tensión de entrada. Vsmin = es el valor mínimo de la tensión de entrada. Vz = es la tensión zener. ILmin = es la mínima intensidad que puede circular por la carga, en ocasiones, si la carga es des conectable, ILmin suele tomar el valor de 0. ILmax es la máxima intensidad que soporta la carga. Izmax es la máxima intensidad que soporta el diodo zener. Izmin es la mínima intensidad que necesita el diodo zener para mantenerse dentro de su zona zener o conducción en inversa. La resistencia que elijamos, debe estar comprendida entre los dos resultados que hemos obtenido. MATERIAL.

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Osciloscopio de doble trazo. Generador de señales. Multimetro analógico y/o digital. Fuente de voltaje regulada. Una pinza de punta. Una pinza de corte. 6 cables caimán – caimán de 50 cm. 6 cables caimán – banana de 50 cm. 6 cables banana – banana de 50 cm.

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4 cables coaxiales que tengan en un extremo terminación bnc y en el otro caimán. Una tablilla de conexiones (protoboard). 1 diodo Zenner con voltaje de ruptura de 3.9V a 12 watt. 1 diodo Zenner con voltaje de ruptura de 9.1V a 12 watt. 1 diodo Zenner con voltaje de ruptura de 5.6V a 12 watt. 1 resistor de 330Ω a 2 watt. 1 resistor de 10KΩ a 12 watt. 1 resistor de 22KΩ a 12 watt. 1 resistor de 560Ω a 2 watt. 1 resistor de 220Ω a 2 watt. 1 resistor de 100Ω a 2 watt. 1 encendedor.

EXPERIMENTOS. Es requisito que para antes de realizar la práctica el alumno presente por escrito y en forma concisa y breve los siguientes puntos sobre el diodo Zenner: a) Símbolo. b) Esquema típico de uniones. c) Modelo matemático. d) Modelo grafico (curva característica V-I) e) Ruptura Zenner. VB está por debajo de los 10V se suele denominar tensión Zener VZ. f) Principales parámetros. g) Definición. h) Aplicación típica como regulador de voltaje. Cuando la tensión a la que está sometido el diodo trata de ser menor que VZ se produce el efecto de avalancha y según la característica I-V del diodo el diodo se comporta como una fuente de alimentación con valor VZ bastante estable. Por ello una de las aplicaciones es la estabilización y regulación de fuentes de tensión. Obtener y comparar las curvas características (V-I), de tres diodos Zenner de diferentes voltajes de ruptura, en cada caso, medir voltaje de umbral y el voltaje Zenner. Determinar las resistencias estáticas y dinámicas en la región directa de conducción (en el punto de operación QD) y en la región de la ruptura Zenner (en un punto de operación QZ). Armar el circuito mostrado en la figura1, colocar el diodo de 3-9V y obtener la curva característica, medir y reportar en la tabla 1 el voltaje de umbral y de voltaje de ruptura del diodo, dibujar la curva característica que se tiene en el osciloscopio (usando en su modo XY), mediante las graficas reportadas posteriormente en casa determinar la resistencia estática y dinámica, tanto en la región directa de conducción en un punto de operación QD, así como, en la región de ruptura en un punto de operación QZ. Repetir estos pasos para el diodo de 5.6V y luego para el de 9.1V Nota: para cada diodo Zenner antes de quitarlo realizar las mediciones indicadas en el punto 3.

Figura 1.a… Circuito propuesto para obtener la curva característica del diodo Zener.

Figura 1.b… Curva característica V-I de un diodo Zener. Diodo Zenner Diodo 1 (3.9V) Diodo 2 (5.6V) Diodo 3 (9.1V)

Medición A T=TA 0.16 0.10 0.24

Medición A TTA 3.4 4.2 8.7

Figura 2.b… Grafica del diodo 2 (VZ = 5.6V)

Figura 2.c… Grafica del diodo 3 (VZ = 9.1V) Figura 2. Curvas características para tres diodos Zener. Observar y reportar las variaciones que se presentan en la curva característica, en el voltaje de umbral y en el voltaje de ruptura de los tres diodos Zener, por el efecto del aumento en la temperatura ambiente. Usando el mismo circuito de la figura 1, observar y reportar en la tabla 1 la variación que presenta el voltaje de ruptura y el voltaje de umbral cuando aumenta la temperatura ambiente, para lograr este aumento, acercar un cerillo encendido o la punta caliente de un cautín, al diodo bajo prueba por espacio no mayor a 5 segundos. Realizar esta medición para cada uno de los diodos en el orden marcado en el punto anterior.

Observar y reportar las variaciones que presenta el voltaje Zener (voltaje de salida del circuito), cuando se presentan variaciones del voltaje de entrada y de la corriente en la carga (RL), en el circuito típico regulador de voltaje paralelo con Zener. Armar el circuito mostrado en la figura 3 (regulador de voltaje paralelo con diodo Zener) y reportar las variaciones que presenta el voltaje Zener y las variaciones de la corriente en la carga, cuando se varía el voltaje en la entrada. Variar el voltaje de la fuente "E" desde 0 hasta 20V y reportar las mediciones de voltaje y corriente que se indican en el circuito en la tabla2

Figura 3 Circuito regulador de voltaje paralelo con diodo Zener. Voltaje en la entrada. 0 2 5 8 11 14 17 20

Voltaje en el Zenner (V). 0 0.7 2.1 3.7 5.2 6.4 8.8 9.9

Corriente en la carga (mA). 0 2.55 5.12 7.59 8.5 8.9 9.12 9.2

Tabla 2 Variaciones del voltaje Zener (voltaje a la salida del regulador) y de la corriente en la carga (RL) para el diodo con ruptura de 5.6V cuando varía el voltaje en la entrada del circuito regulador. Armar el circuito de la figura 4, medir y reportar en la tabla 3, las variaciones que se tengan para el voltaje de ruptura del diodo (voltaje a la salida del regulador) y para la corriente de carga (RL), cuando se presentan variaciones en la resistencia de carga

. Figura 4 Circuito regulador de voltaje con diodo Zener y carga variable. Resistencia en la carga (Ω). Circuito abierto (resistencia infinita). 22K 10K 1K 0.56K 0.33K 0.22K 0.10K

Voltaje medido en el diodo Zenner (V).

Corriente medida en la carga (mA).

9.8 9.6 6.8 5.4 3.9 2.8 1.3

.445 .96 6.8 9.64 11.81 12.72 13

Tabla 3 Variaciones del voltaje de ruptura del diodo Zener (voltaje a la salida) y de la corriente en la carga (RL) en un circuito regulador de voltaje, para diferentes resistencias de carga. CUESTIONARIO. 1.- Usando el diodo Zener de 9.1V, dibuje la curva característica que se obtendría en el osciloscopio, si el voltaje pico de la señal de entrada fuera de 5V. Explique por qué de la curva.

R: En la curva característica de 5v pico el voltaje umbral se hace más pequeño a comparación de la de 10v pico es por eso que la curva del Vu tiende a verse mas vertical que la del 10v. 2.- De los tres diodos Zener que utilizó en los experimentos, ¿Cuál de ellos presentó coeficiente de temperatura positivo, cuál negativo y cuál aproximadamente cero, Explique Por qué? R: El diodo Zenner de 3.9V tiene un coeficiente de temperatura negativo, el diodo Zenner de 9.1V tiene un coeficiente de temperatura positiva y el diodo Zenner de 5.6V su coeficiente de temperatura se aproxima a cero, esto se debe a que los diodos Zenner menores a 5V se da el efecto Zener y en diodos mayores a 6V se da el efecto avalancha. 3.- ¿Qué tipo de portadores generan la ruptura Zener?, ¿En qué condiciones de impurificación se presenta esta ruptura? R: Los pares electrón son portadores que generan la ruptura Zener, y se presentan el diodos con mayor impureza. 4.- ¿Cuál o cuáles de los tres diodos usados, presenta ruptura tipo Zener (tunéelo de la barrera de potencial)? Explique. R: En el diodo de 3.9V y 5.9V ya que para dar el efecto Zener solo se presenta en diodos menores de 6V. 5.- Diga: ¿Qué curva característica obtendría en el osciloscopio para el circuito de la figura l, en caso de que colocara en paralelo los tres diodos Zener? Dibújela.

6.- Dibuje la curva característica que se obtendría en el osciloscopio, para el circuito de la figura 1, en caso de que colocara en serie los tres diodos Zener? Dibújela.

7.-Determine la resistencia estática en la región directa de conducción, para cada uno de los diodos Zener usados en el punto 3, considerando un punto de operación con corriente de 2mA. R3.9 =

==

= 1950Ω.

R5.9 =

==

= 2800Ω.

R9.1=

==

= 4550Ω.

8.- Determine la resistencia estática en la región directa de conducción, para cada uno de los diodos Zener usados en el punto 3, compare los tres cálculos e indique cuál de ellos tiende a comportarse mejor como regulador de voltaje. Explique, (para un punto de operación con corriente de 2mA). R=Cuando se llega al voltaje Zener el aumento del voltaje es muy pequeño, pudiendo considerarse constante. Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente. Por lo cual el diodo que se comporta mejor como regulador de voltaje es el de 3.9V porque su coeficiente de ruptura es negativo. 9.- En el circuito regulador de voltaje de la figura 3, si el voltaje de la señal de entrada es 20V, realice los cálculos necesarios para determinar la corriente que circula por el diodo Zener en esta situación, compare con el valor medido en la tabla 3. I=

=

= 60.30mA.

Los valores son muy cercanos. 10.- ¿Cuál sería la corriente que circularía por el diodo Zener, para el mismo voltaje de 20V a la entrada, si la resistencia de carga fuera circuito abierto? I = 60.30mA. 11.- Determine la potencia que deberá disipar el diodo Zener en la condición marcada en el punto anterior. P = (I)(2)(R) = (60.30mA)(2)(330)=1.1999 Watts. 12.- Para el circuito regulador de voltaje paralelo de la figura 4, determine al valor más pequeño de la resistencia de carga, que permite que la regulación se mantenga. Determine el máximo valor de la corriente en la resistencia de carga. Rmin = Imax =

= =

= 1230 Ω = 16.25mA

13.- Dibuje la gráfica de voltaje de entrada contra voltaje de salida con los datos de la tabla 3.

14.- Dibuje la grafica de resistencia de carga contra voltaje de salida con los datos de la tabla 3.

15.- Proponga un circuito recortador de voltaje con diodo Zener, que recorte la señal negativa en 5v y la positiva en 0.7V.

16.- Proponga un circuito recortador de voltaje con diodo zener, que recorte la señal negativa y positiva en 9.1V.

CONCLUSIONES. En esta práctica pudimos observar el funcionamiento de un diodo Zener, como también sus características y especificaciones del diodo como su voltaje de ruptura su coeficiente de temperatura, etc. También pudimos obtener su graficas de voltaje de ruptura, demostrando el “efecto Zener” y el “efecto Avalancha” como también a que voltaje se da cada efecto. BIBLIOGRAFIA. Diodo Zenner. Página: http://201.232.58.13/pub/internet/nuevo/15vm.pdf. Fecha de consulta: 24-feb-14.

Efecto Zener y efecto Avalancha. Página: http://apuntesdeelectronica.files.wordpress.com/2011/10/5-el-diodo-zenerestabilizacion.pdf. Fecha de consulta: 24-feb-2014 Página: http://apuntesdeelectronica.files.wordpress.com/2011/10/5-el-diodo-zenerestabilizacion.pdf. Fecha de consulta: 24-feb-2014 Página: http://www.myteacher.com.ar/recursos/Apunte%20diodo%20zener%201344535622.pdf. Fecha de consulta: 24-feb-2014

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECÁNICA Y ELÉCTRICA.

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA.

GRUPO: 5CV4.

PRÁCTICA 4 DIODO ZENER.

PROFESOR: REYES AQUINO JOSE.

ALUMNO: SANCHEZ RAMOS CARLOS ALBERTO.

FECHA DE ENTREGA: 26 Febrero 2014