El diodo zener es uno de los componentes de la familia de los semiconductores de mayor importancia en la electrónica actual, a pesar de su simplicidad y antigüedad. Utilizado como regulador de tensión, protección de circuitos industriales y de consumo, en electrónica automotora y en la conformación de señales, el diodo zener es un elemento indispensable en una gran cantidad de proyectos. En este artículo, discutíamos un poco sobre este componente mostrando cómo funciona y de qué forma se utiliza en muchas aplicaciones prácticas importantes.
Para entender lo que es un diodo zener debemos comenzar con una breve revisión de las propiedades de los empalmes semiconductores que forman un diodo común.
Si tenemos una unión entre dos materiales semiconductores, uno del tipo P y otro del tipo N, el resultado será un dispositivo que tiene la propiedad de conducir la corriente en un solo sentido, como ilustra la figura 1.
Este dispositivo, así representado, es un diodo semiconductor común y tiene propiedades eléctricas muy importantes además de la de conducir la corriente sólo en un sentido.
Si polarizamos este diodo en el sentido directo partiendo de cero volt, a medida que la tensión se eleva poco o nada conduce, pues necesitamos llegar a por lo menos 0,6 V (en los tipos de silicio), para que la oposición de la unión, denominada "barrera de potencial", sea vencida.
Cuando la tensión se acerca a estos 0,6 V, el diodo comienza a conducir, y cuando supera ese valor, la conducción se vuelve más intensa, pues su resistencia disminuye acentuadamente.
La conducción ocurre porque en la polarización directa los portadores de carga son "empujados" hacia la unión, ocurriendo entonces un proceso de recombinación que significa la unión de pares electrones-huecos que provocan la circulación de la corriente. Esto se muestra en la figura 2.
Por otro lado, si polarizamos el diodo en sentido inverso, los portadores de carga se alejan, y el resultado será una imposibilidad para la corriente circular.
El diodo no puede conducir la corriente cuando se polariza en el sentido inverso, y lo poco que pasa es la denominada "fuga" que sólo se manifiesta por el hecho de que algunos pocos portadores de carga sean liberados con la agitación térmica de los átomos del material semiconductor.
La figura 3 presenta un diodo polarizado en sentido inverso.
Si representamos el comportamiento de un diodo semiconductor a través de una curva, tomará el aspecto dado en la figura 4.
Tenemos entonces un cuadrante l en el que el diodo se polariza en el sentido directo y la corriente puede aumentar hasta alcanzar el límite soportado por el componente. En el cuadrante IlI tenemos la polarización en el sentido inverso.
En ese cuadrante no tenemos prácticamente la conducción de corriente alguna hasta que un punto importante de la característica sea alcanzado.
Lo que ocurre es que si aplicamos una tensión en un diodo forzando más y más la conducción en el sentido inverso, llegará un momento en que él no apoyará más y, no consiguiendo impedir la circulación de la corriente, "se romperá".
Cuando esto sucede, el diodo conduce repentinamente la corriente, pues su resistencia se reduce prácticamente a cero, conforme podemos observar en la propia figura 5.
En un diodo común, por ejemplo, un rectificador de silicio como el 1N4002, si llegamos a esta tensión de ruptura inversa (VRRM), el diodo se quemará, pero existen diodos especiales que pueden funcionar en ese punto de la curva característica.
Operando así, estos diodos tienen algunas otras características importantes que los hacen muy útiles en aplicaciones especiales conforme veremos a continuación.
EL DIODO ZENER
Se observa que si el componente no se destruye al ser polarizado inversamente con la tensión indicada, su resistencia se "adapta" al circuito de tal modo a mantener la tensión en el componente en un valor fijo.
En otras palabras, el componente puede regular "la tensión en el circuito, manteniéndola en un valor fijo.
Podemos, de esta forma, construir diodos especiales que son capaces de operar en ese punto de su curva característica y así mantener entre sus terminales, en una amplia gama de corrientes, la tensión estabilizada.
La figura 5. Son los diodos zener y la tensión que se mantiene entre sus terminales se llaman "tensión zener".
Por supuesto, el diodo zener necesita operar dentro de ciertos límites, pues teniendo en cuenta que en él se establece una tensión y que circula una corriente en el sentido inverso, el producto de esa tensión por la corriente significa calor generado, que debe ser disipado, según sugiere la figura 6.
Si el componente no disipa ese calor, se calentará pasando más allá de los límites soportados por la unión y acabará por quemarse.
Para usar el diodo zener sin peligro de quemarse, tenemos que hacer lo siguiente:
Polarizamos el diodo en sentido inverso y conectamos en serie un dispositivo cualquiera (un resistor, por ejemplo) que pueda mantener la corriente dentro de límites seguros, observe la figura 7.
Si aplicamos al circuito una tensión mayor que la del diodo zener, él conducirá la corriente en cierta proporción y mantendrá entre sus terminales la tensión en un valor fijo, la tensión zener.
Si alimentamos una carga, ésta debe ser conectada en paralelo con el diodo zener, y según ella necesite más o menos corriente, derivará esta corriente del diodo, pero se adaptará a esta condición, cambiando su resistencia para mantener la tensión constante.
Podemos comparar el diodo zener a un resistor "automático" que reduce su resistencia "absorbiendo" más corriente cuando la carga reduce su consumo y la tensión tiende a subir, y que aumenta su resistencia cuando la carga exige más corriente y tiende a hacer la tensión caer.
DIODOS ZENER EN LA PRÁCTICA
Los diodos zener se fabrican con varias tensiones que no se pueden cambiar.
Si compra un diodo zener de 6V, sólo se puede utilizar como estabilizador de 6V.
Los cambios se pueden realizar en el circuito con otros componentes para obtener otras tensiones, pero esto se verá más adelante.
En el sitio tenemos varias tablas de diodos zener como los de las series BZX79, BZV60, BZTO3 y BZWO3, que se encuentran en diversas tensiones que son especificadas por un código añadido al propio tipo (Código Pro-Electron).
Por ejemplo, el BZX79C3VO es un diodo zener de 0,5 vatios a 3,0 voltios. El 3V significa tres volts el V VIRGULA cero.
Observe que, en esta tabla, tenemos las corrientes y las tolerancias de estos componentes.
Estas corrientes son importantes para determinar los circuitos en los que pueden operar.
USANDO LOS DIODOS ZENER
Para utilizar un diodo zener, debemos tener en cuenta la tensión y la corriente en el circuito para el cual deseamos mantener constante la tensión.
Para efecto de ejemplo, supongamos que tenemos una fuente cuya tensión puede variar entre 4 y 6 volts, y que deseamos mantener constante en 3 V la tensión sobre una carga de 10 mA usando para ello un diodo zener, como muestra la figura 8.
Nuestra preocupación principal será determinar qué diodo zener utilizar y, además. calcular el valor de la resistencia R que debe conectarse en serie.
Entonces partimos de las condiciones extremas:
Suponiendo que la tensión de la fuente sea mínima y que la carga no esté drenando corriente (l = 0), todos los 10 mA deben pasar por el diodo zener.
En realidad, será interesante hacer circular en estas condiciones una corriente un poco mayor, como límite de seguridad para que el zener no opere "en vacío". Podemos adoptar 12 mA como valor seguro.
Tenemos entonces que:
R = (Vcc - Vz) / I
Donde:
Vcc es la tensión mínima de la fuente
Vz es la tensión del diodo zener
l es la corriente en el circuito. j:
Aplicando los valores de nuestro ejemplo viene:
R = (4 - 3)/0,012
R = 1/0,012
R = 83,33 ohms.
Usamos el valor comercial más cercano, que es de 82 ohms.
La disipación de ese resistor será dada por la condición de tensión máxima y corriente máxima, o sea:
P = V x l
P = 3 x 0,012
P = 0,036 watts
Observe que los 3 V en el resistor ocurren cuando la tensión máxima de entrada es de 6 V, y 3 V aparecen sobre el zener.
Esto significa que, en este circuito, un resistor de 1/8 W sirve perfectamente.
Veamos ahora la condición de corriente máxima en el diodo zener para verificar cuál deberá ser su disipación:
Tenemos entonces:
P = Vz x I
Donde:
Vz es la tensión zener (3V)
I es la corriente máxima (0,012 A)
P = 3 x 0,012
P = 0,036 W.
Un zener de 0,5 W como el BZX79C3VO sirve perfectamente para esta aplicación.
Si necesitamos controlar corrientes más intensas que la capacidad de un diodo zener, permite, podemos agregar transistores para hacer el servicio pesado.
Una manera simple de conseguir corrientes de hasta 'unos 2 o 3 ampères es ilustrada en la figura 9.
La corriente que fluye por el resistor quedará dividida entre el zener y la base del transistor.
La parte de ella que va a la base del transistor quedará entonces multiplicada por su ganancia, apareciendo en el emisor y, por lo tanto, en la carga.
Se observa que, como existe una unión adicional para la cadena circular entre la base y el emisor, debemos prever una caída de tensión adicional de 0,6 V.
Así, si el zener es de 12,6 V en un circuito como éste, la tensión en el emisor y consecuentemente en la carga será un poco menor: 12 V.
¿Cómo calcular la resistencia R?
Suponiendo una fuente de 12 V que emplea un transformador de 12 V con una corriente de 1 A y que el transistor elegido tiene una ganancia mínima de 40 veces.
El diodo zener utilizado tiene una disipación de 1W.
Comenzamos por determinar la corriente máxima en el diodo zener para la disipación indicada:
Esta corriente será dada por:
l = P / Vz
I = 1/12
l = 0,083A o 83 mA.
Para una operación segura, limitaremos la corriente en el proyecto a la mitad de este valor, es decir: 40 mA.
La resistencia R será entonces calculada considerando que después de la rectificación y filtración de los 12 V del transformador, tenemos un capacitor de filtro cargado con la tensión de pico o:
V = 12 x 1,41
V = 16,92 V
Y, restando de los 16,92 V los 12 V del zener, sobran:
V = 16,92 - 12
V = 4,92 V.
Esta sobra es justamente la que va a aparecer sobre el resistor.
Con esta tensión y más la corriente, podemos calcular el valor de R.
R = V / l
R = 4,92 / 0,083
R = 59 ohms.
Usamos el valor comercial de 68 ohms. La potencia de esta resistencia debe ser de:
P = V X I
P = 4,92 x 0,083
P = 0,40 W.
Por medida de seguridad utilizamos un resistor de 1 W.
Teniendo en cuenta que la ganancia de corriente del transistor es de al menos 40 veces, podemos determinar la corriente máxima que esta configuración puede controlar sobre una carga, manteniendo la tensión de 12V.
l = hFE x lz
l = 40 x 0,083
l = 3,32 A.
Evidentemente, el transformador no podrá suministrar toda esta corriente, pero eso significa que la fuente operará con "holgura" proporcionando corrientes de salida de hasta 1 A.
Esta holgura nos permite incluso utilizar un valor mayor para R y con ello disminuir aún más la corriente en el diodo zener.
En realidad, los que deseen pueden iniciar por el procedimiento inverso, es decir, fijando en 1A la corriente de salida ya partir de ese valor calcular los demás.
Para reducir aún más la corriente en el diodo zener y en el resistor en serie, una solución consiste en el empleo de un transistor Darlington, como vemos en la figura 10.
En este caso, será interesante partir para el cálculo de R directamente de la ganancia del transistor, determinando antes la corriente de base y en el zener, y en función de ella, cuál será el valor del resistor.
OTRAS APLICACIONES
Además de estabilizar la tensión en un circuito, el diodo zener también puede ser empleado en otros tipos de aplicaciones.
En la figura 11 tenemos un diodo zener en una configuración usada para evitar que la tensión de entrada en un circuito sensible supere un determinado valor que pueda dañarse.
En la figura 12 observamos otro circuito en el que el diodo zener comienza a conducir con cierta tensión, provocando el disparo de un SCR y, por lo tanto, de una carga que puede ejercer una cierta función.
Se trata, pues, de un detector de sobretensión, donde la sobretensión es determinada por las características del diodo zener.
Finalmente, tenemos en la figura 13 un circuito "segador" que, con la ayuda de diodos zener, modifica la forma de onda de una señal senoidal de baja la frecuencia, llevándolo a una forma casi rectangular, con límites bien definida.
Los diodos se conectan en oposición a esta aplicación, y la tensión de segación será la tensión del diodo zener más 0,6 V, que es la tensión barrera de potencial de los diodos que están en serie.
Observe que cada zener sólo conduce a uno de los semiciclos, y los diodos comunes impiden que los zener sean polarizados en el sentido directo.
SUPRESORES DE TRANSIENTES
No obstante una de las aplicaciones para los diodos zener es como supresor de transitorios, existen otras en que componentes específicos pueden ser mejores tanto en desempeño como en el costo.
Así, existen los TVS (Transient Voltage Supresor), que son diodos específicos para ese propósito y los varistores de óxido de zinc que pueden se encuentran principalmente en la protección de entrada de aparatos alimentados por la red de energía.
DIODOS COMUNES COMO ZENERS
Cualquier diodo de silicio cuando se polariza en el sentido directo se comporta como un diodo zener de aproximadamente 0,6 V.
La tensión necesaria para su conducción presenta cierta estabilidad y puede ser aprovechada como un zener improvisado, como muestra la figura 14.
Podemos entonces asociar diodos en serie para obtener tensiones múltiples de 0,6V, atendiendo a esa propia figura.
Cuatro diodos comunes como el 1N4148 o el 1N4002 se pueden conectar en serie de forma que equivalga a un diodo zener de aproximadamente 2,4 V.
Conclusión
Lo que hemos visto aquí fueron algunas aplicaciones de los diodos zener más simples.
Por lo que el lector debe haber percibido, podemos hacer mucho más cosas interesantes sobre la base de esos semiconductores, no quedando limitadas a fuentes de alimentación.
Dejamos por cuenta de los lectores imaginar muchas otras aplicaciones.
En el sitio, tenemos varios artículos que enseñan a hacer cálculos de circuitos que usan diodos zener, específicamente en la sección de matemáticas para la electrónica.