UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE CATEDRA DE ELECTRONICA I - AÑO 2001FACULTAD DE INGENIERIA - RESISTENCIA PROFESOR TITULAR: DARIO M. GOUSSAL

GUIA DE TRABAJOS PRACTICOS DE LABORATORIO L22-1

TEMA: DIODOS DE ZENER

Objetivos:

1. Interpretar las características operativas y parámetros de funcionamiento de los diodos de Zener.2. Especificar los elementos circuitales de valor adecuado para asegurar la operación de los diodos en la zona de V3. Apreciar efectos sobre la tensión nominal de Zener de aumentos de temperatura y sobredisipación en el diodo.4. Determinar la regulación porcentual en función de valores de elementos del circuito.

Componentes:

Diodos: 2 x 1N755A ó BZX97-7V5; BZX 97-C4V7; BZX 97-C5V6 (Zener 7.5 V, 4.7 V y 5.6 V., 400mW); 2 x 1N 4007Resistencias de carbón de 1/4 W: 1 de 100 Ω, 1 de 150 Ω, 1 de 220 Ω, 1 de 270 Ω, 1 de 330 Ω, 1 de 680 Ω, 1 de 1.8 KΩ, 2 de 1 KΩ.Fuente de CC regulada y ajustableMultímetro Digital de 4 1/2 dígitos.Circuito impreso de tiras o islas para armado de prototipos, o bien plaqueta con puentes aislantes para soldar circuitos araña, o bienplaqueta de Protoboard de porcelana para integrados DIL, alambre estañado de 0.3 / 0.4 mm, estaño 60%, soldador lápiz de 40 W.

Bibliografía de Referencia

Motorola Semiconductor: "TVS/Zener Device Data", DL 150/D Rev. 1, Motorola Inc. USA 1994 pp. 11-2 hasta 11-61Sedra, A. & Smith, K. "Microelectronic Circuits", Oxford Series in Electrical Engineering, 4a. Ed., USA 1998, pp. 116-190.Taub, H. & Schilling, Donald: "Electrónica Digital Integrada", Marcombo, Barcelona 1979. Capítulo 1, pp. 7-9.

Resumen de la Teoría:

Cuando un diodo es sometido a una intensa polarización inversa (tensión ánodo-cátodo negativa), se llega a un punto en que seproduce un abrupto aumento en la corriente debido a lo que se conoce como fenómenos de Zener y de Avalancha. El codo de Zenerse produce porque el campo eléctrico se vuelve suficiente para despegar a los electrones de las órbitas exteriores del semiconductory entonces se forman pares electrón-hueco que pueden migrar libremente de un átomo a otro. El súbito aumento en la densidad deportadores en la banda de conducción (electrones) y en la banda de valencia (huecos) produce un rápido aumento del valor de lacorriente inversa. La avalancha en cambio, se produce cuando un electrón libre gana la suficiente velocidad y choca contra otroelectrón, entran en movimiento ambos y éstos chocan contra otros dos, etc. El aumento de energía cinética en las colisiones setransfiere a electrones de la órbita exterior de los átomos y desprende a éstos de sus núcleos, aumentando la concentración de pareselectrron-hueco y la corriente.

Fig. 1 Características V-I de diodos comunes (a) y de Zener (b)

En las curva V-I de la figura 1 a se ilustra la característica inversa del tercer cuadrante de un diodo semiconductor común. En la Fig.1b se muestra la zona de polarización inversa en un diodo de Zener rotada hacia el primer cuadrante, como suele aparecer en losmanuales de dispositivos comerciales. El Zener es un diodo que se fabrica especialmente para trabajar en una región precisa de lazona de ruptura inversa. El codo de Zener es uno de los efectos de "túnel" que se observan en los materiales semiconductores.Electrones y huecos se desplazan atravesando (más que superando) la barrera de potencial originada en la naturaleza ondulatoria desu movimiento, que a su vez responde a la mecánica cuántica y al principio de incertidumbre de Heisenberg. Un fuerte dopado de lazona de deplesión en la juntura PN en general favorece la ruprura de Zener, en tanto que un dopado más débil privilegia la rupturaen avalancha. La tensión de codo de Zener se ajusta al fabricar, cuanto más baja sea la requerida, más intenso debe ser el dopado.

Para hacer más sencilla la discusión matemática de la ruptura de Zener, es preferible utilizar un modelo de aproximación por tramospara ajustar la curva de la figura 1b, mediante su expansión en una serie de Taylor:

Iz = A + BVz + CVz2 + DVz

3 + ..., (1)

donde Iz y Vz son positivas y tomadas respecto al origen (Iz = 0, Vz = 0). Como antes del codo de Zener Iz es igual a Io (la corrientede saturación inversa) una expresión mejor para la serie daría:

Iz = Io + B (Vz - Vzk) + C (Vz - Vzk)2 + ..., (2)

en la cual Vzk es la tensión en el "principio" del codo de Zener. Lógicamente cuanto más términos se calculen de la serie de Taylormejor será la aproximación a la curva V-I. Si hiciera falta más exactitud podríamos reemplazar Io por Izk que sería el correspondientevalor para Vzk aunque siempre es cercana a Io. Usualmente limitandose a los términos de orden 3 o 4 la serie de Taylor se proveesuficiente bondad de ajuste. Otra forma, algo más complicada sería ajustar la curva mediante un análisis de regresión por el métodode mínimos cuadrados. Esto garantizaría la mejor exactitud para aproximar toda la curva, aunque no necesariamente sería mejor parapuntos específicos de la misma. Midiendo los valores V e I en tres o cuatro puntos es posible determinar los coeficientes A, B, C etc

La función de regulación del diodo Zener aprovecha la no linealidad de la zona ídem, donde un muy pequeño incremento de latensión inversa origina grandes aumentos de la corriente inversa. Construyendo el circuito de prueba de la figura 2,

Fig. 2 - Regulador Zener básico

Planteando la ecuación de malla de Kirchoff,

Para una determinada aproximación de la corriente del diodo iz (t) = f [ vL (t)], se podría obtener vL para cada instante del tiempo siutilizamos un procedimiento gráfico, por tanteos o mediante un sencillo programa de iteración en la computadora. No es difícil versin embargo que de ello resultaría:

vL ≈ vs [( RL / (Rz + Ri)] para [( RL /( Rz + Ri)] Vs < Vzk y

vL ≈ Vzn para [( RL / (Rz + Ri)] Vs > Vzk

Luego, la Fig. 3 muestra la tensión sobre la carga y la tensión de recorte Vzn cuando el diodo se polariza inveresamente, y la tensiónVγ de 0,7 V cuando se polariza directamente.

Aproximando,

para

para

y

Conociendo el valor de RL es posible obtener la ecuación de la recta de carga que corta a la característica del Zener en la curva de laFig. 4:

se pueden obtener los datos del punto de reposo (Izo, Vzo) de la intersección de la curva con la recta de carga, independientemente decualquier aproximación funcional para iz = f (vz).

Fig. 3

Fig. 4 - Análisis del regulador Zener con la recta de carga

Recta de carga

Curva del Zener

La pendiente de la recta de carga es:

donde suponiendo un valor fijo para Ri, a medida que RL se volviera menor, el punto de reposo podría salirse de la zona de rupturaZener y el circuito dejaría de regular. Si en cambio Ri tendiera a cero para un valor RL fijo, la recta de carga sería una línea verticalcon vZ = vS e Iz = f (vS). Cuando la tensión de entrada es continua, al enclavarse la tensión de carga al valor Vz (aproximadamenteigual a Vzn), la corriente de carga y consiguientemente la potencia PL = VL IL también se enclava, impidiendo corrimientos térmicos

Un circuito regulador de tensión debe ejercer dos acciones: 1) Regulación de línea (tiende a estabilizar la tensión de salida respectode las variaciones de la tensión continua de entrada), y 2) Regulación de carga (respecto de las propias variaciones de ésta). Puedencalcularse de acuerdo a las siguientes expresiones:

Regulación de línea (%) = [ 100 (VLmax - VLmin ) / (VSmax - VSmin ) ] |RL = Constante (V/V)

Regulación de carga (%) = [ 100 (VLmax - VLmin) / (ILmin - ILmax) ] |VS = Constante (V/A)

Para recortar una forma de onda alterna en ambos hemiciclos y obtener ondas rectangulares o trapezoidales se utiliza un par dediodos Zener conectados en serie, espalda con espalda (Fig. 5). El circuito también es usual para proteger a la carga de transitorios opicos de breve duración, siempre y cuando la energía del transitorio esté dentro del rango de disipación de los Zener.

El recorte puede ser simétrico si lo son las tensiones Vzn de ambos dispositivos. Asimismo, varios diodos de Zener pueden unirse enserie para obtener mayores tensiones inversas de referencia. Alternativamente, varios diodos comunes de Ge o Si en polarizacióndirecta pueden utilizarse para recortar la forma de onda a tensiones menores que las permitidas por un Zener (p. ej. 0,3 V a 2,1 V)

Fig. 5 - Recortador de Zener de ciclo completo

La potencia máxima de los dispositivos es de 400 mW ó 1 W, por lo tanto los reguladores, enclavadores y recortadores simples condiodos Zener deben respetar ese límite y habitualmente se diseñan para evitar por completo el autocalentamiento, luego la potenciade trabajo efectiva suele ser muy inferior y los Zener sólo se utilizan como referencia para otros dispositivos de mayor disipación. Experimento 1

a). Armar el circuito de abajo, similar al del práctico de la Guía L21-1 pero utilizando los diodos Zener BZX97-C7V5 y R = 1 KΩ.Conectar el osciloscopio con la base de tiempo en modo XY (sin barrido), y ambos amplificadores horizontal y vertical a 1 V/ div.Ajustar la posición de los ejes X e Y para ver la zona de ruptura inversa. Si se dispone de un generador de funciones, ajustar parasalida de onda triangular de unos 6 V RMS y medir la tensión de codo de Zener Vzn en la zona de polarización inversa (en casocontrario, utilizar barrido senoidal de 100 Hz proveniente de un rectificador de onda completa sin celda de filtrado (misma tensión).

b) Partiendo de la medición anterior con BZX 97-C7V5, tener registrado el valor de Vzn a temperatra ambiente. Acercar al cátododel diodo la punta cerámica del soldador lápiz a temperatura de trabajo (desconectado). Hacer contacto con la punta cerca de lacápsula y anotar el desplazamiento en la tensión de Zener. Luego enfriar con el fluido en aerosol la cápsula del diodo y nuevamenteanotar el desplazamiento en la tensión de codo de Zener. Describir las diferencias halladas en estos desplazamientos térmicos en lazona inversa de ruptura respecto a los hallados en diodos semiconductores comunes en la zona de conducción (Guía de TP L21-1).

c) Repetir el experimento utilizando en el circuito los diodos BZX 97-C5V6, BZX 97-C4V7, 1N 755A o equivalentes. Si se usa unosciloscopio con memoria digital, guardar los archivos de la medición e imprimirlos con la computadora. De lo contrario, calcar ocopiar la medición desde la pantalla cuidando de respetar los valores X e Y medidos. Marcar la posición de la tensión de codo deZener (Vzn), y el valor de la corriente Iz para tensiones de Zener levemente mayores a temperatura ambiente. Luego registrar losvalores antes y después del desplazamiento de temperatura (punto b).

Experimento 2

a) Armar el circuito de la figura inferior, utilizando un BZX 97- C7V5 y Ri = 330 Ω. Conectar a una fuente de continua filtrada delaboratorio. Utilizar dos valores de RL, 1,2 KΩ y 680 Ω. Medir la tensión sobre la carga para VS = 15 VDC y luego para VS = 10 VDC.

b) Repetir las mediciones del punto anterior para Ri = 220 Ω, Ri = 150 Ω y Ri = 100 Ω. Ahora dejando Ri = 220 Ω, registrar losvalores de VL para RL = 1.2KΩ y VS = 15 V al conectar la fuente y una vez que ésta se ha estabilizado. Comprobar si VL cambiamucho o no, y explicar el motivo de los resultados obtenidos.

c) Calcular la regulación de línea y de carga para cada una de las 8 combinaciones de valores de las resistencias Ri y RL y para cadauno de los valores de tensión de entrada (VS = 15 VDC y VS = 10 VDC.). ¿Cuáles son las peores condiciones de trabajo del regulador?¿Qué valor de Ri proporciona la mejor regulación ? ¿Por qué ? ¿Qué ocurriría con la corriente en el Zener si se invirtiera la polaridadde la tensión de entrada Vs ? ¿ Cómo se podría proteger el circuito regulador y la carga ante esa condición irregular ?

Experimento 3

a) Armar el recortador de ciclo completo de la Fig. 5 con Ri = 1 KΩ y RL = 1 KΩ utilizando dos BZX 97 - C4V7 y una fuente deCA de 6 a 12 V RMS. Medir con el osciloscopio la tensión de recorte del hemiciclo positivo y del negativo. Comparar la medicióncon los valores teóricos que devienen del cálculo de tolerancia de Vz y Vγ según el manual de los dispositivos utilizados. Establecerla asimetría de tensión de recorte medida en % y compararla con la peor condición teórica de funcionamiento.

b) Armar un recortador asimétrico con BZX 97-C4V7 y BZX 97-C7V5 y repetir las mediciones del punto a) excepto la de asimetría.

Experimento 4

a) Armar un recortador de protección de transitorios de con 2 diodos comunes en antiparalelo (1N 4007 ) con Ri = 1 KΩ y RL = 1KΩ utilizando una fuente de CA de 6 V RMS (Fig. 6). Medir con el osciloscopio las tensiones de recorte en la misma forma que elexperimento 3. Observar la forma de onda durante el recorte y describir las diferencias halladas respecto al circuito con Zener.

b) Repetir las mediciones del punto anterior pero conectando dos series de 2 diodos 1N 4007 en antiparalelo (4 diodos en total).