Un diodo Zener es uno de los tipos de diodo que se utilizan habitualmente en cualquier banco de electrónica. Esto se debe a que los diodos Zener casi siempre se utilizan en circuitos de suministro de energía y circuitos de formación de ondas. Los diodos Zener son como un diodo de unión PN normal, aunque están muy dopados. Esto hace que el diodo se comporte de manera diferente que un diodo de señal cuando opera en la región de polarización inversa.
Tanto un diodo de señal como un diodo Zener funcionan de manera similar en la región de polarización directa. En polarización inversa, un diodo de señal bloquea cualquier corriente desde el cátodo al ánodo. Sólo una cantidad insignificante de corriente inversa, incluida la corriente de saturación inversa y la corriente corporal, fluye a través del diodo en un rango de nA o uA. Esta corriente es tan pequeña en comparación con la corriente de cualquier circuito que no puede impulsar ninguna carga. La corriente del circuito suele estar en el rango de mA. Cuando el voltaje inverso aumenta más allá de un cierto voltaje llamado voltaje de rodilla, la corriente a través del diodo desde el cátodo al ánodo aumenta exponencialmente, alcanzando pronto el nivel de corriente del circuito. En este punto, un diodo de señal o un diodo de potencia está dañado. Los diodos de señal suelen estar en circuito abierto, mientras que los diodos de potencia sufren un cortocircuito cuando se dañan. Por lo tanto, un diodo de señal y un diodo de potencia siempre permiten que la corriente fluya en una sola dirección, es decir, del ánodo al cátodo. Cualquier voltaje excesivo aplicado para permitir que la corriente fluya desde el cátodo al ánodo rompe el diodo.
Un diodo Zener es diferente. Permite que la corriente fluya en ambas direcciones. Sin embargo, la corriente inversa (del cátodo al ánodo) sólo puede fluir cuando la tensión inversa es mayor que una tensión nominal precisa, es decir, la tensión Zener. Cuando un Zener conduce la corriente del circuito en la condición de polarización inversa, reduce el voltaje Zener y permite que la corriente del circuito resultante fluya a través de él.
¿Qué es un diodo Zener?
Un diodo Zener es un diodo semiconductor fuertemente dopado diseñado para funcionar en dirección inversa (cátodo a ánodo). Estos diodos están diseñados para tener su ruptura inversa en un "voltaje inverso" agudo y bien definido, de modo que puedan operar en la región de polarización inversa sin romperse. El voltaje específico al cual un diodo Zener presenta una ruptura inversa se llama "voltaje Zener". Los diodos Zener están disponibles con una amplia gama de voltajes Zener, generalmente de 1,8 V a 200 V. Un diodo Zener solo conduce corriente en polarización inversa cuando el voltaje aplicado es mayor que su voltaje Zener.
El símbolo eléctrico de un diodo Zener es diferente al de un diodo genérico. Un diodo normal (diodo de señal o de potencia) se muestra en un circuito usando el siguiente símbolo.
El siguiente símbolo muestra un diodo Zener.
Observe los bordes doblados de la barra en el símbolo del diodo Zener. Es importante distinguir un diodo Zener de un diodo normal en un diagrama de circuito. Los diodos normales no conducen corriente en respuesta a ningún voltaje inverso y actúan como un circuito abierto. Un diodo Zener conduce desde el cátodo al ánodo si el voltaje inverso es mayor que su voltaje Zener. Este hecho siempre debe tenerse en cuenta al analizar un circuito determinado.
Cómo funciona un diodo Zener
Un diodo Zener es un diodo semiconductor fuertemente dopado. Un diodo semiconductor normal en saturación inversa sufre una ruptura de avalancha cuando el voltaje aplicado excede el voltaje de rodilla. La avería por avalancha en los diodos normales los rompe, provocando que se abra el circuito (normalmente en el caso de los diodos de señal) o un cortocircuito (normalmente en el caso de los diodos de potencia).
Los diodos Zener en saturación inversa exhiben dos tipos de avería: avalancha y Zener. Un diodo Zener no se estropea ni en una avería Zener ni en una avalancha.
Cuando un diodo semiconductor regular recibe voltaje inverso, su región de agotamiento se amplía debido al efecto de los campos eléctricos aplicados. La anchura de la región de agotamiento continúa aumentando a medida que aumenta el voltaje inverso aplicado. Durante todo este tiempo, una pequeña corriente de saturación inversa fluye desde el cátodo al ánodo debido a los portadores de carga minoritarios. A un cierto voltaje inverso, el voltaje de "rodilla", los portadores de carga minoritarios tienen suficiente energía cinética debido al campo eléctrico en la región de agotamiento como para comenzar a colisionar con los iones estacionarios, eliminando más electrones libres. Los electrones libres recién generados también ganan energía cinética similar debido al campo eléctrico en la región de agotamiento. También chocan con iones estacionarios, eliminando una cantidad aún mayor de electrones libres. Esto funciona como una reacción en cadena al acumular una gran cantidad de corriente a través de la región de agotamiento en la que el diodo se vuelve conductor. A esto se le llama colapso de "avalancha".
Un diodo Zener tiene un tipo diferente de ruptura de polarización inversa. Esto se llama colapso Zener y ocurre incluso antes del colapso de Avalancha. Un diodo Zener está muy dopado. Tiene una mayor cantidad de átomos de impureza que un diodo normal, por lo tanto, tiene una mayor cantidad de iones en la región de agotamiento. Debido a la mayor cantidad de iones, la región de agotamiento de un Zener es muy delgada. Hay un campo eléctrico más fuerte en la región de agotamiento debido a su estrecha anchura. Debido al fuerte campo eléctrico en la región de agotamiento, los electrones de valencia de los iones entran en la banda de conducción y una gran cantidad de corriente comienza a fluir desde el cátodo al ánodo.
Tenga en cuenta que la ruptura de Avalanche resulta de la colisión de portadores de carga minoritarios con los iones en la región de agotamiento. Al mismo tiempo, la ruptura Zener es un fenómeno cuántico que se produce porque los electrones de valencia se mueven de la banda de valencia a la banda de conducción bajo la influencia del campo eléctrico a través de la estrecha región de agotamiento.
La pausa Zener se produce antes de la pausa 'Avalancha'. La ruptura por avalancha no ocurre con un voltaje específico y depende en gran medida de las condiciones de funcionamiento del diodo y el circuito. La ruptura Zener se produce con un voltaje agudo, el voltaje Zener, que está predefinido por el nivel de dopaje del diodo. Una vez que un diodo Zener sufre un colapso Zener, es conductor del cátodo al ánodo y no hay posibilidad de que se produzca un colapso en forma de "avalancha".
Cuando un diodo Zener comienza a conducir en polarización inversa, la caída de voltaje a través de él se fija en el voltaje Zener, que no se ve afectado por las variaciones del voltaje de la fuente. Sin embargo, la corriente a través del Zener puede variar dependiendo de la corriente del circuito consumida por la carga. Una vez que la corriente de carga se estabiliza, la corriente que pasa por el diodo Zener también se estabiliza.
Los diodos Zener utilizan ambos fenómenos: ruptura Zener y ruptura de avalancha. Si el voltaje Zener es de hasta 6 V, comienza a realizar una polarización inversa en el voltaje Zener debido a la ruptura del Zener. Si la tensión Zener nominal es superior a 6 V, el diodo Zener provoca una ruptura de avalancha en la tensión nominal. Los diodos Zener conducen una corriente mayor cuando conducen debido a una falla de Avalancha que cuando conducen debido a una falla Zener.
Cuando un diodo Zener tiene polarización directa, funciona como un diodo normal. Debido al alto dopaje, la corriente directa máxima del diodo Zener es siempre mayor que la de los diodos normales.
Embalaje de diodo Zener
Los diodos Zener vienen en paquetes SMD y de orificio pasante. Los modelos de orificio pasante generalmente están encapsulados en vidrio para soportar una alta disipación de potencia. Ambos tipos de envases tienen una franja en un extremo para indicar el cátodo.
Conexión de diodo Zener en un circuito
En un circuito/red, un diodo Zener se puede conectar con la carga en serie con el diodo o con la carga en paralelo al diodo. El diodo Zener siempre está cableado para funcionar a la inversa.
Cuando el Zener se conecta en serie a la carga, el voltaje aplicado cae según el voltaje Zener del diodo y el voltaje restante aparece en el extremo del ánodo del Zener. Generalmente hay una resistencia conectada en serie con el diodo Zener. Esta resistencia y la resistencia restante del circuito de carga determinan la corriente a través del diodo Zener. La misma corriente fluye tanto a través de la carga como del diodo Zener.
Cuando Zener está conectado con una carga en paralelo, se aplica el mismo voltaje a la red de carga hasta que el voltaje aplicado sea menor que el voltaje Zener. A medida que el voltaje aplicado aumenta más allá del voltaje Zener, solo el voltaje Zener que cae a través del diodo aparece en la red de carga. Por lo tanto, el voltaje en la red de carga nunca excede el voltaje Zener. Ahora, la corriente a través de la red de carga depende del voltaje Zener y la resistencia de la carga. Si una resistencia u otra red ya está conectada en serie al Zener (y a la red de carga) antes de la fuente de voltaje, la corriente ya está limitada por esa resistencia o red.
Referencia del diodo Zener
Hay cientos de modelos de diodos Zener disponibles. La siguiente tabla enumera algunos de los diodos Zener populares.
Aplicaciones del diodo Zener
Tenga en cuenta que esta lista no es exhaustiva. Esta lista es sólo un intento de enumerar los diodos Zener populares con voltajes Zener de hasta 6 V. Esta tabla puede servir como punto de partida para explorar los diodos Zener.
El diodo Zener tiene las siguientes aplicaciones comunes:
- Referencia de voltaje: Cuando un circuito de carga se va a alimentar con un voltaje fijo, se puede conectar en paralelo con un diodo Zener del mismo voltaje Zener. De esta manera, el voltaje en el dispositivo/red de carga aparecerá igual al voltaje Zener, pero nunca superior a eso. La fuente de voltaje Zener debe ser mayor que el voltaje Zener; de lo contrario, el diodo Zener no conducirá en la dirección inversa y aparecerá en la carga un voltaje aplicado menor que el voltaje Zener.
Tenga en cuenta que esta no es una regulación de voltaje ideal. En el circuito anterior, la corriente a la carga está limitada por la resistencia. El voltaje de la carga puede variar dependiendo de la corriente consumida por la carga misma. El voltaje también puede variar debido a la temperatura.
- Fuente de alimentación multirraíl: se puede diseñar una fuente de alimentación multirraíl utilizando varios diodos Zener. Los Zeners se pueden conectar en serie para proporcionar diferentes caídas de voltaje juntas. Es lo mismo que usar Zener como referencia de voltaje. Se utiliza un solo diodo Zener en una referencia de voltaje simple para proporcionar una caída de voltaje fija en una red de carga. Se utilizan varios diodos Zener en un suministro de carriles múltiples para proporcionar caídas de tensión simétricas y/o ascendentes. Recuerda que la corriente que pasa por los diodos Zener debe ser suficiente para activar las redes de carga. Para lograr esto, los propios diodos Zener deben tener una potencia nominal adecuada y no debe haber ninguna red o resistencia que limite la corriente a través de los diodos Zener más allá de los niveles de corriente requeridos en la carga. A continuación se muestra un riel eléctrico simétrico diseñado con diodos Zener.
A continuación se muestra otro circuito de alimentación multirraíl que utiliza diodos Zener.
- Fijación de voltaje: las señales de CA se pueden fijar mediante un diodo Zener. Si la amplitud máxima de una señal de CA es Vpico alto, un diodo Zener de voltaje Zener, Vz, puede fijar el pico positivo en Vz conectando la salida al cátodo del Zener y conectando el ánodo del Zener a tierra. El nivel de señal fijo se puede aumentar por encima de Vz conectando un riel positivo con el incremento requerido en el ánodo Zener en lugar de conectarlo a tierra. Esto también eliminará por completo el ciclo negativo de la salida.
Incluso se pueden conectar dos diodos Zener en direcciones opuestas en serie para lograr una sujeción simétrica de la señal de CA de entrada.
- Traducción de voltaje: el diodo Zener se puede utilizar para suavizar la potencia de entrada de un regulador de voltaje. Al conectar un diodo Zener en serie con una fuente de voltaje a un regulador de voltaje, la fuente de voltaje de entrada se puede reducir en Vz. En comparación con una resistencia de caída de voltaje, el diodo Zener puede tolerar todas las variaciones de corriente de la carga en el otro extremo del regulador de voltaje.
Cómo seleccionar un diodo Zener
Los dos factores más importantes que determinan la selección de un diodo Zener para una aplicación determinada son su "voltaje Zener" y su potencia nominal. Un diodo Zener debe seleccionarse por el voltaje Zener que debe reducirse mediante su conexión en serie o debe alimentarse a través de una conexión en paralelo. En segundo lugar, su potencia nominal debe ser suficiente, no limitando la corriente consumida por el dispositivo de carga o la red.