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• Josue Suarez Bello

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EXPERIMENTO No. 3 TITULO: Regulación de voltaje con diodo Zener Objetivos 1. Medir los efectos de la polarización inversa en un diodo Zener. 2. Construir un regulador de voltaje Zener y determinar, de manera experimental, el intervalo dentro del cual el diodo Zener produce un voltaje constante Información preliminar Características del diodo Zener El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa), conducen siempre en el sentido de la flecha. En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común.

Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante. En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa Se analizará el diodo Zener, no como un elemento ideal, sino como un elemento real y se debe tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso sí existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.

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Curva característica del diodo Zener Analizando la curva del diodo zener se ve que conforme se va aumentando negativamente el voltaje aplicado al diodo, la corriente que pasa por él aumenta muy poco. Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamado voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante. Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa. 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. ¿Qué hace un regulador con Zener? Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su salida, sin importar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las variaciones de corriente en la carga. Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodo zener), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga. Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que el voltaje de salida disminuya conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga aumente. (Ver: resistencia interna de las fuentes de tensión). En la figura 01 se muestra un circuito regulador típico en paralelo con diodo Zener. El diodo Zener está polarizado inversamente por la fuente de voltaje de línea de cd y está en conducción Zener. El voltaje Vz de Zener también es el voltaje de carga VL. Ya que Vz es constante (suponiendo características ideales de zener) con la corriente variable hasta la Zener, es posible que VL sea constante aunque varíe la carga RL y el voltaje de entrada.

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Figura 01 Diodo Zener utilizado como regulador de voltaje en paralelo Por ejemplo, suponga que Vz =10 V y que el voltaje de la fuente de energía fluctúa entre 25 y 35 V. Cuando V1 = 25 V, el diodo Zener mantiene constante a V L en 10 V y los 15 V restantes aparecen a través de la resistencia limitadora en serie. Al aumentar el voltaje de la fuente a 35 V, VL se mantiene en 10 V y caen 25 V a través de la resistencia R1 en serie, por lo que las fluctuaciones del voltaje de la fuente de energía provocan fluctuaciones de la caída de voltaje (VR1) en R1 aunque VL se mantiene esencialmente constante. Sin embargo, debido a que el Zener no es ideal, pueden ocurrir ligeras fluctuaciones a través de sus terminales. Con frecuencia el voltaje de línea de cd es relativamente constante pero varía la resistencia de carga RL. Nuevamente el diodo Zener tiende a mantener constante el voltaje VL de carga. En esos circuitos la caída de voltaje a través de la resistencia R1 y la corriente a través de la misma son constantes. Al variar la carga R L, varía la corriente en el Zener y en la carga. Si aumenta la corriente I L de carga, disminuye la corriente Iz de zener en la misma cantidad, manteniendo la corriente de línea y en consecuencia, hace que todas las caídas de voltaje queden sin cambio.

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Equipos y materiales Fuente de energía Miliamperímetro Multímetro digital Sistema de capacitación en electrónica: Cables de conexión.

R1= 470 Ohm = R2 Diodo Zener de 6.8 V.

Objetivo 01. Comprobar las propiedades de regulación de voltaje de línea de un regulador zener tipo paralelo. Lleve rigurosamente los siguientes pasos: 1 a). Conecte el circuito regulador mostrado en la figura siguiente, midiendo el voltaje de carga y también la corriente en el diodo Zener.

Figura 02 Circuito regulador con diodo Zener

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b) Ajuste el potenciómetro R3 de manera que suministre la máxima resistencia de carga al circuito, para determinar la regulación de voltaje de línea en la entrada. c) Ajuste la fuente de energía a 4 voltios de corriente directa. Mida y registre en la tabla siguiente el voltaje en la carga, la corriente de carga y la corriente de zener resultantes, en función de los voltajes descritos suministrado por la fuente de energía. d) Ajuste la fuente de energía a los demás valores de voltaje que aparecen en la tabla, midiendo y registrando los valores de voltaje y corriente de la tabla.

Voltaje de línea ( VF)

Voltaje de carga

Corriente de carga Corriente de zener (IL) (IZ)

VRL 3.91

390.82mA

0

6.84

683.92 mA

4.25miliA

6.89

688.53 mA

21.07 miliA

6.90

690.24 mA

38.01 miliA

6.91

691.32 mA

54.98 miliA

6.92

692.11 mA

71.96 miliA

4 Vdc

8 Vdc 12 Vdc 16 Vdc 20 Vdc 24 Vdc

Tabla 01 e) Ajuste los voltajes a cero

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f. Luego de que ocurre la ruptura de zener, explique lo que sucede a la corriente Iz de zener al aumentar el voltaje de la fuente de energía. Aumenta g. Explique qué sucede a la corriente IL de carga al aumentar el voltaje de la fuente de energía_____Se mantiene consatante_______________.

h. Construya una gráfica en donde represente la relación entre el voltaje de la carga y el voltaje suministrado por la fuente de energía, registrado en la tabla anterior. La curva resultante se conoce como curva de regulación de voltaje de entrada e indica el grado de variaciones posibles del voltaje de la fuente de energía en que funciona adecuadamente el regulador de voltaje para mantener un voltaje de salida relativamente constante.

Relación voltaje de la carga y voltaje suministrado 12 10

VF

8 6 4 2 0 0

2

4

6

8

10

12

VRL

I. Indique a qué voltaje de línea el zener comienza a regular VF = __6.8__ Vdc. Objetivo 2 Medir y graficar las propiedades de regulación de voltaje de carga de un regulador de voltaje típico con diodo zener de tipo paralelo. 1. a) Desconecte temporalmente el potenciómetro del circuito montado, figura 02. b) Ajuste la fuente de energía al máximo voltaje

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c) Mida y registra en la tabla 02 la corriente Iz resultante de zener y el voltaje de carga para corriente de carga cero. d) Disminuya a cero el voltaje de la fuente de energía y vuelva a conectar nuevamente el potenciómetro, tal como estaba originalmente. e) Ajuste el voltaje de la fuente de energía nuevamente al máximo y ajuste la carga del potenciómetro para una corriente de carga de 1.15 mA. f) Mida y registra en la tabla 02 la corriente Iz de zener y el voltaje VL de carga resultante, para los demás valores de corriente de carga que aparecen.

Corriente de carga IL

Corriente Zener (IZ) 72.6mA

Voltaje de carga VL 101.76mV

66.64mA

6.92V

67.72mA

6.92V

68.66mA

6.92V

69.65mA

6.92V

70.65mA

6.92V

71.65mA

6.92V

0 mA 1.15 mA 1.4 mA 1.73 mA 2.3 mA

3.46 mA 6.91 mA

Tabla 02 Fin del análisis de los valores del experimento. No se separe aun del circuito y conteste las siguientes preguntas en vivo, analizando su comportamiento. 6

Seleccione la respuesta correcta 1. Si el voltaje de entrada de un regulador Zener tipo paralelo aumenta y a la vez aumenta la demanda de corriente de carga, la corriente zener tiende a: a. b. c. d.

Aumentar Disminuir Permanecer igual Caer a cero.

2. Un regulador con diodo zener de tipo paralelo, tiene un voltaje variable de entrada y resistencia de carga fija, por lo que mantiene constante a: a. b. c. d.

La corriente de entrada. La corriente zener La corriente de carga. Ninguno de los anteriores

3. En un regulador de diodo zener de tipo paralelo, el voltaje excedente del circuito cae a través de: a. b. c. d.

El diodo zener. La carga La resistencia en serie La fuente de energía

4. Con un voltaje constante de entrada y cargas variables, el regulador de diodo zener de tipo paralelo mantiene constante a : a. La corriente de carga b. La corriente zener c. La corriente de carga d. Todos los anteriores 5. La máxima corriente permisible del zener la determina a. La clasificación de voltaje b. La clasificación de wattaje. c. Ni (a) ni (b) d. Tanto (a) como (b).

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6. El diodo zener regula efectivamente: a. Para todos los valores de voltaje de entrada. b. Para todos los valores de corriente de zener. c. Para todos los valores de polarización directa. d. Para todos los valores de polarización inversa y corriente zener más allá del punto de ruptura

7. En la figura siguiente, calcule: a) El valor de la resistencia limitadora de corriente R1 b) El vatiaje de la resistencia R1, para un adecuado diseño. c) El vatiaje adecuado del diodo Zener. IL varía entre 5 y 20 mA Datos VF = 20 V V salida =10 V. I Total = 30 mA VZ = 10 V.

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El valor de la resistencia limitadora (R 1) es igual a la diferencia entre el voltaje de la fuente de energía y el voltaje de salida, dividido entre la corriente total. Para calcular el vatiaje de R1, note que en esta resistencia hay una caída de voltaje de 10 V, por lo que W es igual a 10 al cuadrado entre R1. El vatiaje del diodo se calcula a partir de la corriente máxima, Iz, que requiere el circuito. En nuestro problema el valor máximo de Iz es de 25 mA, cuando I L es de 5 mA. Por tanto, el vatiaje mínimo de Wz es: Wz = V x Iz, esto da un valor de 250 mW, por lo que una buena practica de ingeniería recomendaría sobredimensionar el diodo, por lo que se recomienda uno de 500 mW.

Formule las conclusiones del experimento.

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