Electrónica Análoga I Prof. Dr. Gustavo Patiño MJ 12- 14 21-10-2014 El Diodo Zener Electrónica Análoga I Prof. Dr. Gustavo Patiño MJ 12- 14 21-10-2014

Reguladores de Voltaje Un regulador de voltaje es un circuito cuya finalidad consiste en proporcionar un voltaje constante entre sus terminales de salida. Es necesario que el voltaje de salida se mantenga tan constante como sea posible a pesar de: Cambios en la corriente de carga. Cambios en el voltaje de entrada a la etapa reguladora. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Reguladores de Voltaje (2) Existen varias formas de implementación de esta función. A continuación se estudiarán algunas de ellas: Regulador con diodo Zener Regulador con circuito integrado Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Diodos de Ruptura o diodos Zener Son diodos en los que la región de operación predeterminada es la región de polarización inversa en la que la curva pronunciada de la característica de transferencia i vs v presenta un diferencial de voltaje casi constante, de modo que dicha característica es útil para el diseño de reguladores de voltaje. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Curva Característica de los Diodos Zener Aproximando la característica del Zener a una recta (cerca de Q) se tiene que: Donde rZ se conoce como la Resistencia Dinámica del diodo Zener. Fig. 3.31 The diode i-v characteristic with the breakdown region shown in some detail. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Curva Característica de los Diodos Zener (2) Donde: con: Fig. 3.32 Model for the zener diode. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Regulador con diodo Zener El circuito básico que se utiliza para implementar la función reguladora con diodo Zener se presenta en la figura: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Ejemplo El diodo Zener de la figura está especificado para tener Vz= 6.8V a Iz=5mA, rz=20Ω,Izk=0.2mA (Datos obtenidos de la hoja de datos del Zener) El voltaje de alimentación V+ es nominalmente de 10V, pero puede variar en ±1V. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Ejemplo (..cont) Encuentre Vo cuando no hay carga y con V+ a su valor nominal. Halle el cambio en Vo que resulta del cambio de ±1V en V+. Encuentre el cambio en Vo que resulta de conectar una resistencia de carga RL=2kΩ. Encuentre el valor de Vo cuando RL=0.5kΩ ¿Cuál es el valor mínimo de RL para el cual el diodo todavía opera en la región de ruptura? Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Solución al ejemplo Primero debemos determinar el valor del parámetro Vzo del modelo del diodo Zener. Al sustituir Vz= 6.8V, Iz=5mA, rz=20Ω, en la ecuación resulta Vzo= 6.7V. En la siguiente figura, se muestra el circuito con el diodo Zener reemplazado por su modelo. Cuando no hay carga conectada, la corriente que pasa por el Zener está dada por: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Solución al ejemplo (..cont) Para un cambio de ±1V en V+, el cambio en el voltaje de salida se puede encontrar a partir de: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Solución al ejemplo (..cont) Cuando se conecta una resistencia de carga de 2kΩ, la corriente de carga será aproximadamente 6.8V/2kΩ=3.4mA. Entonces el cambio en la corriente de Zener será ΔIz=-3.4mA y el cambio correspondiente en el voltaje Zener (voltaje de salida) será de: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Solución al ejemplo (..cont) Se puede obtener una estimación más precisa de ΔVo al analizar el circuito del modelo equivalente del Zener. El resultado de este análisis es ΔVo=-70mV. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Solución al ejemplo (..cont) Una RL de 0.5kΩ tomaría una corriente de carga de 6.8/0.5=13.6mA. Esto no es posible porque la corriente I alimentada a través de R es de sólo 6.4mA (para V+=10V). Por lo tanto el Zener debe apagarse. Si éste es el caso, entonces Vo está determinado por el divisor de voltaje formado por RL y R:

Solución al ejemplo (..cont) Como este voltaje es menor que el voltaje de ruptura del Zener, de hecho el diodo ya no opera en la región de ruptura. Para que el Zener se halle en el borde de la región de ruptura, Iz=Izk=0.2mA y Vz≈ Vzk≈ 6.7V. En este punto (en el peor de los casos) la mínima corriente alimentada a través de R es (9-6.7)/0.5=4.6mA y entonces la corriente de carga es 4.6-0.2=4.4mA. El valor correspondiente de RL es: RL = 6.7/4.4 ≈ 1.5kΩ. de Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Ejemplo de un regulador Zener **** INCLUDING zener-SCHEMATIC1.net **** * source ZENER R_Rs 1 2 265 V_Vs 1 0 10v D_D4 0 2 D1N750 R_RL 0 2 {Rval} .PARAM Rval=100 *Analysis directives: .DC LIN V_Vs 0 30 0.1 .STEP PARAM Rval LIST 940, 94 .PROBE V(*) .END

Esto es: A menor RL se requiere más voltaje en la fuente de entrada que permita que el zener actúe como regulador con su valor aproximadamente constante. A qué se debe esto ??

Desempeño de un circuito regulado mediante diodo Zener Circuito Equivalente

Desempeño de un circuito regulado mediante diodo Zener (2) Esta configuración permite entregar un voltaje Vo casi constante al bloque de carga, a pesar de cambios en la corriente exigida por ella, y de variaciones en el voltaje de entrada. Analizando dicha configuración: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Desempeño de un circuito regulado mediante diodo Zener (3) Para medir el desempeño de un circuito regulador se usan dos parámetros: Regulación de Línea: Expresa el cambio en Vo debido a un cambio de 1V en Vs. Regulación de Carga: Expresa el cambio de Vo debido al cambio de 1mA en IL.

Desempeño de un circuito regulado mediante diodo Zener (4) De la relación anterior y los conceptos de regulación de línea y regulación de carga se tiene que para este regulador con diodo Zener: Regulación de línea Regulación de carga Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Análisis de ecuaciones y el desempeño de la regulación Generalmente rz << R, y la regulación de carga está determinada casi por entero por el valor de rz. La última ecuación también indica que sería deseable un valor grande de R, pero hay un límite superior en el valor de R para asegurar que la corriente que pasa por el diodo Zener nunca se haga demasiado baja. De lo contrario, rz aumentará y la operación del zener se degradará. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Análisis de ecuaciones y el desempeño de la regulación (2) Del circuito se observa que la mínima corriente Zener se presenta cuando VS está a su mínimo e IL está a su máximo. Entonces ... Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Análisis de ecuaciones y el desempeño de la regulación (3)

Diseño del regulador Zener en paralelo La resistencia Ri debe ser tal que el diodo permanezca en el modo de voltaje constante sobre el intervalo completo de variables.   Del circuito se obtiene que en general:

Diseño del regulador Zener en paralelo (2) Para asegurar que el diodo permanezca en la región de voltaje constante (ruptura) se examinan los dos extremos de las condiciones de entrada-salida. La corriente a través del diodo iZ es mínima cuando la corriente de carga iL es máxima y la fuente de tensión vS es mínima. La corriente a través del diodo iZ es máxima cuando la corriente de carga iL es mínima y la fuente de tensión vS es máxima.     Caso de VZ constante (Diodo zener ideal)

Diseño del regulador Zener en paralelo (3) Para el caso de un diodo más real, el cambio en las ecuaciones sería sólo en la expresión del voltaje en el Zener, tanto en condición de corriente mínima en el Zener, como su condición de corriente máxima: Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Criterios de Diseño Considerando la información inicial que se tiene a la hora de diseñar un circuito con regulador Zener, en ocasiones es necesario aplicar ciertos criterios de diseño que permiten encontrar una solución aproximada para el diseño requerido. Dichos criterios de diseño suelen ser suposiciones necesarias sobre alguna información eventualmente faltante a la hora de diseñar un sistema. El hecho de que tales suposiciones requieren una justificación basada en la experiencia previa, o en el análisis del comportamiento de un sistema, hace que se llamen Criterios de Diseño. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Criterios de Diseño (...cont) Algunos textos observan que un buen criterio de diseño utilizado para calcular la corriente mínima en el Zener, es expresarlo como una función de la corriente máxima en la carga: Izmín =ILmáx/3 Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Criterios de Diseño (...cont) Otros textos observan que otro criterio de diseño que se puede utilizar para calcular la corriente mínima en el Zener es expresarla como función de la corriente máxima que puede pasar por el diodo: Izmín =0.1Izmáx Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Criterios de Diseño (...cont) Es importante anotar el cuidado que se debe tener en el uso de éstos y otros criterios de diseño, dado que por su carácter de suposiciones realizadas sobre información faltante, el uso simultáneo de dos o más criterios de diseño puede llevar a graves errores de diseño electrónico y circuital. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Consideraciones generales sobre el diseño de reguladores con Zener Es necesario conocer los niveles extremos del voltaje que desea regularse, así como el nivel de voltaje que se desea a la salida. Con base en dichos datos se escoge el diodo Zener adecuado, a fin de luego determinar el valor de la resistencia Ri que asegure su correcto funcionamiento (usando las ecuaciones y ), y así completar el diseño de la configuración básica presentada en la figura 3.35 (Sedra/Smith, Cuarta Edición). Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Consideraciones generales sobre el diseño de reguladores con Zener (2) El desempeño del diseño final se mide evaluando los valores correspondientes de Regulación de Linea y de Regulación de Carga (que dependen principalmente del diodo Zener empleado); los cuales permitirán al diseñador estimar el desempeño de la función reguladora que cumplirá su diseño. Existen criterios de diseño que usados cuidadosamente, pueden ayudar a diseñar un buen circuito regulador basado en Zener. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Ejemplo Diseñar un regulador Zener en derivación para obtener un voltaje de salida de aproximadamente 7.5V. La alimentación varía entre 15V y 25V y la corriente de carga entre 0 y 15mA. El diodo zener disponible tiene Vz=7.5V a una corriente de 20mA y su rz=10Ω. Encuentre el valor requerido de R y determine la regulación de línea y de carga. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Solución al ejemplo Puede suponerse que Izmín =ILmáx/3=5mA Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2

Aporte del estudiante Para el estudiante: En tu tiempo extra-clase, de qué manera puedes complementar el contenido dado en esta clase ? Qué información adicional, complementa y ayuda a comprender mejor el contenido de estas diapositivas ? Qué preguntas te surgen de esta clase? Qué respuestas le das a dichas preguntas? Busca más bibliografía e información adicional que complemente tus respuestas y el contenido de esta clase. Electrónica Analógica I. Facultad de Ingeniería. Universidad de Antioquia. 2014-2