Diodo Zener

El diodo zener es un tipo de diodo usado para establecer un nivel de voltaje, esto es posible debido a que cuentan con un voltaje en reversa bajo el cual se puede encontrar en distintos valores. Polarizado en directa el diodo zener tiene el mismo comportamiento que un diodo se silicio con una activación promedio de 0.6V o 0.7V

Curva característica del diodo Zener

La curva característica del diodo zener se centra en el voltaje de ruptura o voltaje en reversa el cual es el punto de interés aquí, se representa con las letras Vz

Diodo zener símbolo

El símbolo del diodo zener es parecido al diodo rectificador, con la diferencia que se le agregan unas pequeñas líneas adicionales en el lado del cátodo.

Diodo zener funcionamiento

El diodo zener funciona en polarización inversas, al aplicar una tensión esta comenzará a aumentar hasta llegar al voltaje de zener (Vz) y dependiendo de la calidad del zener este valor de voltaje se quedara cerca de ese valor. El zener tienen una corriente de activación baja y además estos deben usar siempre con una carga conectada, debido a que no son capaces de manejar un gran flujo de corriente.

Diodo zener aplicaciones

El zener sirve principalmente para establecer un nivel de voltaje constante. se usa comúnmente en 

• Limitador de voltaje, para proteger entradas de a periféricos
• Nivel de voltajes de referencia, se usa como un nivel de voltaje estable y es el corazón del famoso amplificador zener
• Fuentes de alimentación de baja potencia.

El diodo zener como regulador de voltaje

A continuación mostraré un circuito donde se polariza un diodo zener para tener una referencia de voltaje, para esto usaré el diodo 1N4742A el cual es un diodo zener con un Vz =12V y es capaz de manejar una potencia de 1W, el voltaje de entrada será 24V y  la carga una resistencia de 10K.

A ver como se hace esto…

Comenzamos por asumir que existen 12V en Vz, esto significa que ya podemos saber la corriente que atraviesa R2.

$I_{R2}=\frac{Vz}{R2}=\mathbf{1}\mathbf{.}\mathbf{2}\mathit{m}\mathit{A}$

Esta corriente es la que atraviesa la resistencias, sin embargo,  aún necesitamos considerar la corriente de funcionamiento del diodo zener, según datasheet la corriente para que el diodo 1N4742A funcione es de 0.25mA por lo que estos nos da que la corriente del pasa por R3 es igual a:

$I_{R3}=I_{R2}+I_{zk}=\mathbf{1}\mathbf{.}\mathbf{45}\mathit{m}\mathit{A}$

Esta es la corriente que entrega la fuente V2 al sistema con este valor ahora podemos valor qué valor debe tener R3 para que el circuito funcione de forma segura. Debemos encontrar el voltaje en R3, que en este caso sería:

$V_{R3}=V2-Vz=\mathbf{12}\mathit{V}$

Con este valor de voltaje y la corriente en R3 podemos saber el valor de R3

$R3=\frac{V_{R3}}{I_{R3}}=\mathbf{8}\mathbf{.}\mathbf{28}\mathbf{ }\mathit{K}\mathit{\Omega }$

El valor de R3 será de 8.28 K Ohm, pero además de esto debemos conocer cual es la potencia que debe disipar esta resistencia,para esto se aplica la siguiente fórmula.

$P_{R3}=V_{R3}\times I_{R3}=\mathbf{17}\mathbf{.}\mathbf{4}\mathit{m}\mathit{W}$

Es una potencia bastante baja, un resistencia de un 1/8W sería suficiente para este caso.

Que pasa si quitamos la carga de un diodo zener?

Si quitamos la carga toda la corriente del sistema atravesar el diodo Zener por lo que debemos asegurarnos que el diodo Zener pueda soportar esta corriente, para conocer la corriente máxima del diodo podemos usar la siguiente fórmula: 

$I_{ZMax}\approx \frac{P_z}{Vz}=\mathbf{83}\mathbf{.}\mathbf{3}\mathit{m}\mathit{A}$

Conociendo esto, podemos estar seguro que el zener puede funcionar en estas condiciones incluso sin una carga conectada, sin embargo no es igual en todos los casos, si la polarización se hubiera hecho con una resistencia de 100 Ohm la corriente que tendría que soportar el diodo zener seria de 120.25mA lo que supera por mucho la capacidad del zener y este se hubiera roto.

En la realidad a un diodo zener no se ubica en una posición de alto consumo de corriente, casi siempre se hace para colocar voltajes de referencias en lugares de alta impedancia, como en un comparador usando un amplificador operacional. 

Cómo medir un diodo zener?

Para medir el voltaje del zener se debe colocar una resistencia en serie con el cátodo el diodo, igual al circuito mostrado anteriormente, considerando que que el voltaje aplicado debe ser mayor al voltaje del zener, por ejemplo. voy a medir el voltaje de un zener del cual desconozco su valor. para esto tomó una resistencia de 1K y la colocó en serie con el diodo zener como se ve en el circuito. 

Una vez hecho esto conectó el circuito a una fuente con el voltaje configurada en 0V y luego con un multímetro conectado se comienza a aumentar el voltaje hasta que el voltaje medido permanece fijo a pesar de seguir aumentando el voltaje de la fuente, este voltaje medido será el voltaje del diodo zener. De esta forma se calcula el voltaje de operación de un diodo zener.