Un diodo semiconductor tiene muchas "profesiones". Puede rectificar voltaje, desatar circuitos eléctricos, proteger el equipo de una fuente de alimentación inadecuada. Pero hay un tipo de "trabajo" no muy común del diodo, cuando su propiedad de conducción unidireccional se usa muy indirectamente. Un dispositivo semiconductor cuyo modo normal es polarización inversa se denomina diodo zener.
Contenido
¿Qué es un diodo zener, dónde se usa y para qué sirve?
Un diodo zener, o diodo Zener (llamado así por un científico estadounidense que fue el primero en estudiar y describir las propiedades de este dispositivo semiconductor), es un diodo convencional con una unión p-n.Su característica es trabajar en la sección de la característica con polarización negativa, es decir, cuando el voltaje se aplica en polaridad inversa. Tal diodo se usa como un estabilizador independiente que mantiene constante el voltaje del consumidor, independientemente de los cambios en la corriente de carga y las fluctuaciones en el voltaje de entrada. Además, los nodos de los diodos zener se utilizan como fuentes de voltaje de referencia para otros estabilizadores con un circuito desarrollado. Con menos frecuencia, se utiliza un diodo inverso como elemento de formación de pulso o protector contra sobretensiones.
Hay diodos zener convencionales y de dos ánodos. Un diodo zener de dos ánodos son dos diodos conectados espalda con espalda en una carcasa. Puede ser reemplazado por dos dispositivos separados, incluyéndolos de acuerdo con el esquema apropiado.
Voltio-amperio característico del diodo zener y su principio de funcionamiento.
Para comprender el principio de funcionamiento de un diodo zener, es necesario estudiar su característica típica de corriente-voltaje (CVC).
Si se aplica un voltaje al zener en la dirección directa, como a un diodo convencional, entonces se comportará como un diodo convencional. A un voltaje de alrededor de 0,6 V (para un dispositivo de silicio), se abrirá y entrará en la sección lineal de la característica I-V. En el tema del artículo, el comportamiento de un diodo zener es más interesante cuando se le aplica un voltaje de polaridad inversa (rama negativa de la característica). Primero, su resistencia aumentará considerablemente y el dispositivo dejará de pasar corriente. Pero cuando se alcanza un cierto valor de voltaje, se producirá un fuerte aumento en la corriente, llamado ruptura. Tiene un carácter de avalancha y desaparece después de que se quita el poder.Si continúa aumentando el voltaje inverso, la unión p-n comenzará a calentarse y entrará en el modo de ruptura térmica. La falla térmica es irreversible y significa la falla del diodo zener, por lo que no debe poner el diodo en este modo.
Un área interesante de operación de un dispositivo semiconductor en el modo de ruptura de avalancha. Su forma es casi lineal y tiene una gran pendiente. Esto significa que con un gran cambio en la corriente (ΔI), el cambio en la caída de voltaje a través del diodo zener es relativamente pequeño (ΔU). Y esto es estabilización.
Este comportamiento al aplicar un voltaje inverso es típico de cualquier diodo. Pero la peculiaridad del diodo zener es que sus parámetros en esta sección del CVC están normalizados. Su voltaje y pendiente de estabilización están dados (con cierta dispersión) y son parámetros importantes que determinan la idoneidad del dispositivo en el circuito. Puede encontrarlos en libros de referencia. Los diodos ordinarios también se pueden usar como diodos zener, si elimina su CVC y entre ellos hay una característica adecuada. Pero este es un proceso largo y laborioso con un resultado no garantizado.
Las principales características del diodo zener.
Para elegir un diodo Zener para los propósitos existentes, debe conocer varios parámetros importantes. Estas características determinarán la idoneidad del dispositivo seleccionado para resolver las tareas.
Tensión nominal de estabilización
El primer parámetro del zener, al que debe prestar atención al elegir, es el voltaje de estabilización, que está determinado por el punto de inicio de la ruptura de la avalancha. Comienza con la selección de un dispositivo para usar en el circuito.Para diferentes instancias de diodos zener ordinarios, incluso del mismo tipo, el voltaje tiene una dispersión en la región de varios por ciento, para los de precisión la diferencia es menor. Si se desconoce el voltaje nominal, se puede determinar ensamblando un circuito simple. Debes preparar:
- resistencia de balasto 1 ... 3 kOhm;
- fuente de voltaje ajustable;
- voltímetro (puede usar un probador).
Es necesario elevar el voltaje de la fuente de alimentación desde cero, controlando el crecimiento del voltaje en el diodo zener con un voltímetro. En algún momento, se detendrá, a pesar de un mayor aumento en el voltaje de entrada. Este es el voltaje de estabilización real. Si no hay una fuente regulada, puede usar una fuente de alimentación con un voltaje de salida constante obviamente más alto que Uestabilización. El esquema y el principio de medición siguen siendo los mismos. Pero existe el riesgo de fallo del dispositivo semiconductor debido al exceso de corriente de funcionamiento.
Los diodos Zener se usan para trabajar con voltajes de 2 ... 3 V a 200 V. Para formar un voltaje estable por debajo de este rango, se usan otros dispositivos: estabilizadores que operan en la sección directa del CVC.
Rango de corriente de funcionamiento
La corriente a la que los diodos zener realizan su función está limitada por arriba y por abajo. Desde abajo, está limitado por el comienzo de la sección lineal de la rama inversa del CVC. A corrientes más bajas, la característica no proporciona un modo de voltaje constante.
El valor superior está limitado por la disipación de potencia máxima de la que es capaz un dispositivo semiconductor y depende de su diseño. Los diodos Zener en una caja de metal están diseñados para más corriente, pero no se olvide del uso de disipadores de calor.Sin ellos, la potencia de disipación máxima permitida será significativamente menor.
Resistencia diferencial
Otro parámetro que determina el funcionamiento del diodo zener es la resistencia diferencial Rst. Se define como la relación entre el cambio de voltaje ΔU y el cambio de corriente ΔI que lo causó. Este valor tiene la dimensión de resistencia y se mide en ohmios. Gráficamente, esta es la tangente de la pendiente de la sección de trabajo de la característica. Obviamente, cuanto menor sea la resistencia, mejor será la calidad de la estabilización. Para un diodo zener ideal (que no existe en la práctica), Rst es igual a cero: cualquier aumento en la corriente no provocará ningún cambio en el voltaje, y la sección característica I-V será paralela al eje y.
Marcado de diodo Zener
Los diodos zener nacionales e importados en una caja de metal están marcados de manera simple y clara. Están marcados con el nombre del dispositivo y la ubicación del ánodo y el cátodo en forma de designación esquemática.
Los dispositivos en una caja de plástico están marcados con anillos y puntos de varios colores en los lados del cátodo y el ánodo. Por el color y la combinación de caracteres, puede determinar el tipo de dispositivo, pero para esto debe consultar libros de referencia o usar programas de calculadora. Ambos se pueden encontrar en Internet.
A veces, se aplica un voltaje de estabilización a los diodos zener de baja potencia.
Circuitos de conmutación de diodos Zener
El circuito principal para encender un diodo zener está en serie con resistor, que establece la corriente a través del dispositivo semiconductor y toma el exceso de voltaje. Los dos elementos forman común divisor. Cuando cambia el voltaje de entrada, la caída en el diodo zener permanece constante, mientras que la caída en la resistencia cambia.
Tal circuito se puede usar de forma independiente y se llama estabilizador paramétrico. Mantiene constante el voltaje en la carga, a pesar de las fluctuaciones en el voltaje de entrada o la corriente consumida (dentro de ciertos límites). Un bloque similar también se usa como circuito auxiliar donde se necesita una fuente de voltaje de referencia.
Dicha inclusión también se utiliza como protección de equipos sensibles (sensores, etc.) contra la ocurrencia anormal de alto voltaje en la línea de potencia o medición (impulsos constantes o aleatorios). Cualquier cosa por encima del voltaje de estabilización del dispositivo semiconductor se "corta". Tal esquema se llama "barrera Zener".
Anteriormente, la propiedad del diodo zener de “cortar” los picos de voltaje se usaba mucho en los circuitos formadores de pulsos. Los dispositivos de dos ánodos se utilizaron en circuitos de corriente alterna.
Pero con el desarrollo de la tecnología de transistores y la llegada de los circuitos integrados, este principio rara vez se utilizó.
Si no hay un diodo zener a la mano para el voltaje deseado, puede estar compuesto por dos. El voltaje de estabilización total será igual a la suma de los dos voltajes.
¡Importante! ¡No conecte diodos zener en paralelo para aumentar la corriente de funcionamiento! La dispersión de las características de corriente-voltaje conducirá a la salida de un diodo zener en la zona de ruptura térmica, luego el segundo fallará debido al exceso de corriente de carga.
Aunque en la documentación técnica de los tiempos de la URSS está permitido paralela inclusión zeners en paralelo, pero con la condición de que los dispositivos deben ser del mismo tipo y la potencia de disipación real total durante la operación no debe exceder la permitida para un solo diodo zener. Es decir, no se puede lograr un aumento en la corriente de operación bajo esta condición.
Para aumentar la corriente de carga permitida, se usa otro esquema. El estabilizador paramétrico se complementa con un transistor, y se obtiene un seguidor de emisor con una carga en el circuito emisor y un estable voltaje base del transistor.
En este caso, el voltaje de salida del estabilizador será menor que Uestabilización por la cantidad de caída de voltaje en la unión del emisor; para un transistor de silicio, alrededor de 0,6 V. Para compensar esta disminución, puede encender un diodo en serie con el diodo zener en la dirección de avance.
De esta manera (al encender uno o más diodos), puede ajustar el voltaje de salida del estabilizador hacia arriba dentro de un rango pequeño. Si necesita aumentar radicalmente Uout, es mejor encender un diodo zener más en serie.
El alcance del diodo zener en circuitos electrónicos es extenso. Con un enfoque consciente de la elección, este dispositivo semiconductor ayudará a resolver muchos problemas asignados al desarrollador.
Artículos similares:
