Diodozener Los diodos zener se fabrican mediante un aumento de la concentración de impurezas de la unión. Algunos de los símbolos que se utilizan para representarlos son los que se muestran en la figura 14a. El símbolo que habitualmente utilizaremos es el de la figura 14b. Cátodos

t

*

Ánodos

Cátodo

Ánodo

b

a

Fig. 14. Símbolos del diodo zener: a} formas usuales; b} símbolo que usaremos habitualmente.

Aunque

el diodo zener polarizado directamente se comporta de forma similar normal, lo habitual es hacerla trabajar en polarizatfirtJ"inversa, con el fin de aprovechar sus propiedades (fig. 15).

que.un diodo semiconductor

,. +

+ Fig. 15. Equivalencia

entre diodo zener y diodo semiconductor

polarizados

directamente.

Vamos a estudiar las diferencias existentes entre los diodos semiconductores normales polarizados inversamente (efecto avalancha) y los zener (efecto zener).

VavalanCha

Efecto avalancha

o

Hasta ahora hemos visto que un diodo semiconductor no conduce cuando está polarizado inversamente. El motivo es que, con esta polarización, la barrera de potencial se ensancha y deja sin portadores mayoritarios a los cristales semiconductores P y N, lo que hace imposible la conducción. Tan sólo los portadores minoritarios provocan una pequeña corriente de fugas, que en condiciones normales se considera despreciable. En estas condiciones, cuando aumentamos la tensión inversa de polarización, la corriente de fugas apenas aumenta, como se puede observar en la gráfica de la figura 16.

Q1e I GIG)

G

@

+

Fig. 17. Efecto avalancha ..

En los diodos semiconductores normales, la tensión inversa a la que se produce el efecto avalancha se llama tensión de ruptura y toma valores del orden de cientos de voltios. Como se observa en la figura 16, una vez alcanzado este valor de tensión, la corriente inversa crece incontroladamente, hasta infinito, lo cual destruye el diodo.

Efecto zener Si en un diodo semiconductor normal se aumenta la concentración de impurezas, la curva de avalancha de la figura 16 suaviza su trayectoria, para convertirse en la de la figura 18. En ella se observa que, al alcanzar la tensión de ruptura, la corriente ino versa no pasa a ser infinita, aunque aumenta enormemente. Pero todavía se dispone de I unas décimas de voltio en las I I cuales los incrementos de coI rriente son muy grandes, aunI que no destruyen la unión, I I siempre que no se sobrepasen ~RI -. zener eqron ciertos límites. I I I I

I

----~-------------1V

Fis¡. 18. Curva característica IR

~I

186

zenet.

del diodo

El motivo de estos nuevos resultados es que el enriquecimiento en impurezas de la unión PN se traduce en un aumento de los iones, lo que hace la barrera de potencial más estrecha (fig. 19). +

N

+

@

@@ @@

~ @

(i)@ G>9

(j

N

@. @ @

Fig. 19. Comparación de la anchura de la barrera de potencial mente: a) diodo zener; b) diodo semiconductor normal.

@@ 6)@ @@ 0€1 @0 00 @@ 00 @@ ea

de un diodo zener y un diodo normal polarizados

A este nuevo efecto S;9 le denomina efecto zener, y a diferencia del de avalancha, es controlable. La tensión que en el diodo semiconductor normal se llamaba de ruptura ahora pasa a llamarse tensión zener (Vz).

La tensión zener La tensión zener es la principal característica identificativa de este tipo de diodos, que queda definida como el valor de voltaje al cual se produce el efecto zéner (fig. 18). Es única para cada diodo zener. Los valores comerciales normales oscilan entre 2 y 200 voltios. Cuando en un diodo polarizado inversamente se alcanza el valor de la tensión zener, la corriente inversa aumenta de forma considerable. Mientras se trabaja en esta región, se producen grandes variaciones de intensidad para pequeñas variaciones de tensión. Por ello se debe tener la precaución de no superar la corriente máxima indicada por el fabricante. La corriente del zener mínima (lZmin) es el menor valor de intensidad que mantiene al diodo dentro de la región zener. Viene determinado por el fabricante y es importante conocerlo, ya que determina el punto de menor consumo en el que se mantiene la estabilidad. A la vista del funcionamiento del diodo zener, se puede deducir que se comporta como una resistencia, cuyo valor varía en función de la tensión presente entre sus bornes, ya que su curva de respuesta en la región zener es lineal.

Comportamiento

del diodo zener como regulador

Al principio de la unidad vimos cómo se estabilizaba la tensión de salida de una fuente de alimentación mediante el uso de un potenciómetro. Sobre la curva característica inversa de un diodo zener de 9 voltios y 1/2 vatio (fig. 20), veremos cómo el zener se comporta como aquel potenciómetro, pero regula el valor de su resistencia interna de forma automática. í87

~-r'

p

inversa-

----~

-

~.

Limi

Margen de regulación

~I

1••

I

I

Unol es la rrie . rnent con,

I

9,5

9,25

9 I

~----

Tensión zener

5

carar

Potencia mínima 45mW

Potencia media 231,25mW

_L

Rmed=370n

_

25

1

I I I I

Potencia máxima 475mW

I Rmin = 190

n

~_L

I

_ 50

Fig. 20. El zener como potenciómetro

automático.

Para simplificar el proceso, estudiaremos sólo tres puntos de la gráfica, situados en zonas de pequeña, mediana y elevada potencia. -

-

-

La tensión zener tiene un valor de 9 V. Según las curvas, la intensidad inversa (lz min) en la zona de baja potencia es 5 mA. Luego la resistencia equivalente es Rz = VII = 1 800 n. En este caso, la potencia que disipa el diodo zener son Pz = V . 1= 45 mW. Supongamos ahora que ha aumentado la tensión dentro del margen de regulación a 9,25 V. Según las curvas, la corriente inversa es ahora 25 mA. (Observa el gran incremento de intensidad para el pequeño incremento de tensión.) Calculamos la resistencia equivalente Rz = VII = 370 n y la nueva potencia disipada es ahora Pz = V . 1= 231,25 mW. Es una zona de potencia intermedia.

En

má; m· EJc

lIa bri tab

Eje ¿eL

Si la tensión crece hasta 9,5 voltios, límite máximo del margen de regulación, la corriente aumenta hasta 50 mA. Ahora la resistencia equivalente es Rz = VII = 190.Q Y la potencia disipada Pz = V . I = 475 mW. Ésta es la zona de máxima potencia disipable. En ella nos aproximamos peligrosamente al límite máximo, que es de 1/2 vatio.

Mediante este proceso hemos visto que el diodo zener ha cambiado el valor de su resistencia interna de forma automática en función de las variaciones de tensión aplicada. 188

i

ner

EJE

Limitaciones de potencia Uno de los factores que se ha de tener en cuenta cuando se utilizan diodos zener es la potencia máxima (Pml que pueden disipar. Las grandes variaciones de corriente que se producen para pequeños aumentos de tensión se traducen en aumentos de potencia disipada por el diodo zener. Como estos diodos se fabrican con valores de potencia determinados, antes de utilizarlos se debe conocer esta característica (fig. 21l.

I

l· I

I I I I

I I I