Un diodo Zener es un tipo especial de diodo que permite que la corriente fluya en sentido inverso una vez que el voltaje alcanza un valor establecido, llamado voltaje Zener. Mantiene el voltaje estable y protege los circuitos de cambios repentinos. Este artículo explica en detalle cómo funcionan los diodos Zener, sus tipos, usos y problemas comunes de confiabilidad.
Conceptos básicos de diodos Zener y
Un diodo Zener es un dispositivo semiconductor diseñado que permite que la corriente fluya no solo en la dirección de avance, como un diodo estándar, sino también en la dirección inversa una vez que se alcanza un voltaje específico, llamado voltaje de ruptura de Zener (Vz). En lugar de ser dañado por el voltaje inverso como un diodo normal, el diodo Zener está desarrollado para funcionar de manera segura en esta región de avería. Esta característica única lo hace ideal para la regulación de voltaje, circuitos de referencia de voltaje y protección contra sobretensiones.
Cuando el voltaje inverso aplicado a través de un diodo Zener excede su voltaje Zener nominal (por ejemplo, 3.3V, 5.1V o 12V), mantiene un voltaje casi constante en sus terminales, incluso si cambia el voltaje de entrada o la corriente de carga. Esta capacidad para estabilizar el voltaje lo hace ampliamente utilizado en fuentes de alimentación y circuitos electrónicos que requieren niveles de voltaje confiables.
Física detrás del desglose de Zener y el desglose de avalanchas
La imagen muestra las características I-V (corriente-voltaje) de un diodo Zener, ilustrando cómo se comporta en condiciones de polarización directa e inversa. Destaca dos mecanismos de desglose: Desglose de Zener y Desglose de avalancha, que ocurren en la región inversa del gráfico.
En la región directa, el diodo comienza a conducir corriente una vez que el voltaje directo excede un cierto umbral conocido como voltaje de encendido (VT), como un diodo de unión PN normal. La corriente aumenta rápidamente con el voltaje en esta región.
En la región inversa, el diodo bloquea inicialmente la corriente hasta que el voltaje inverso alcanza un cierto valor. Pueden ocurrir dos escenarios:
• Ruptura de Zener (VZ): Para diodos con voltajes de ruptura por debajo de aproximadamente 5-6 V, domina un efecto de túnel mecánico cuántico llamado ruptura de Zener. El diodo conduce de forma segura una gran corriente inversa mientras mantiene un voltaje casi constante. Esto se explota en la regulación de voltaje.
• Ruptura de avalanchas (VB): A voltajes inversos más altos, la ionización por impacto conduce a la ruptura de avalanchas. Esto también da como resultado la conducción, pero se utiliza en aplicaciones de mayor voltaje.
Diferencias entre un diodo estándar y un diodo Zener
| Característica | Diodo estándar | Diodo Zener |
|---|---|---|
| Propósito | Rectificación (conversión de CA a CC) | Regulación y protección de tensión |
| Operación inversa | Bloquea la corriente hasta una avería destructiva | Permite corriente inversa a voltaje Zener nominal |
| Diseño | Unión PN de uso general | Dopado para un comportamiento de descomposición preciso y seguro |
| Uso típico | Rectificadores, cortadores de señal | Referencia de voltaje, circuitos de palanca, reguladores |
| Desglose inverso | Incontrolado y dañino | Modo de funcionamiento controlado y normal |
Uso de un diodo Zener para mantener el voltaje constante
Un diodo Zener es una pieza electrónica especial que puede ayudar a mantener el voltaje a un nivel constante. Esto es útil cuando su fuente de alimentación proporciona más voltaje del que necesita su circuito. El Zener ayuda controlando cuánto voltaje va a la carga (la parte del circuito que usa energía).
Para configurarlo, conecta una resistencia y un diodo Zener. La resistencia va primero, conectada a la fuente de alimentación. El diodo Zener se coloca hacia atrás (en polarización inversa) a través de la carga. Esto puede sonar extraño, pero los diodos Zener están diseñados para funcionar así. Cuando el voltaje es demasiado alto, el Zener se enciende y permite que fluya corriente adicional, manteniendo el voltaje en su nivel nominal (llamado voltaje Zener).
Pero la resistencia es igual de necesaria; limita la corriente que entra en el diodo Zener y la carga. Sin esta resistencia, demasiada corriente podría dañar el diodo o las otras partes de su circuito.
Para elegir la resistencia adecuada, puede usar una fórmula simple:
Esto es lo que significan esos símbolos:
• Vin: El voltaje de su fuente de alimentación.
• Vz: El voltaje que desea a través de su carga (el voltaje Zener).
• Iz: La corriente a través del diodo Zener debe funcionar correctamente.
• Iload: La corriente utilizada por su carga.
Una vez que ingresa los números en la fórmula, le da el valor de resistencia que necesita. Está bien usar el siguiente valor de resistencia más grande si el exacto no está disponible.
Tipos de reguladores de voltaje de diodo Zener
Regulador de derivación
En un regulador de derivación, el diodo Zener está conectado en paralelo con la carga. Esto significa que se encuentra en los mismos dos puntos a los que está conectada la carga. Cuando el voltaje supera el punto de ruptura del Zener, comienza a conducir y evita que el voltaje aumente demasiado.
Regulador de la serie 5.2
En un regulador en serie, el diodo Zener se usa de manera diferente. En lugar de controlar el voltaje directamente a través de la carga, el Zener se usa para proporcionar un voltaje de referencia a la base de un transistor (un BJT). El transistor se asienta en serie con la carga, lo que significa que está en línea con la ruta de corriente.
Diodo Zener con transistor o búfer de amplificador operacional
Zener con seguidor de emisor BJT
Una forma común de aumentar el manejo de la corriente es conectando un transistor de unión bipolar (BJT) en una configuración de seguidor de emisor (colector común). Así es como funciona:
• El diodo Zener se coloca en polarización inversa y se conecta a la base del BJT.
• El emisor del transistor se convierte en la nueva salida regulada.
• El voltaje de salida es aproximadamente:
Esta configuración descarga la carga de corriente del Zener al transistor, lo que le permite suministrar corrientes de carga más altas sin afectar la regulación del voltaje. El Zener ahora solo necesita suministrar la pequeña corriente de base del transistor.
Zener con búfer de amplificador operacional
Para una regulación de voltaje aún más precisa, especialmente en circuitos analógicos o sensibles, puede conectar el Zener a la entrada no inversora de un amplificador operacional configurado como seguidor de voltaje (búfer). Esto ofrece dos beneficios principales:
• Alta impedancia de entrada: el amplificador operacional casi no consume corriente del Zener, lo que mantiene estable el voltaje del Zener
• Baja impedancia de salida: puede impulsar cargas sin causar caídas de voltaje
Esto hace que la configuración Zener con búfer de amplificador operacional sea ideal para su uso como referencia de voltaje estable en circuitos analógicos, referencias ADC o circuitos de polarización de sensores.
Ruido de diodo Zener y manejo transitorio
Reducción de ruido
Cuando un diodo Zener opera en su región de ruptura, pueden aparecer pequeñas fluctuaciones de voltaje aleatorias llamadas ruido. Para reducir esto, se conecta un condensador de derivación (alrededor de 100 nF) directamente a través del diodo Zener. Este condensador suaviza los cambios rápidos de voltaje y filtra el ruido de alta frecuencia, manteniendo el voltaje de salida más estable.
Protección contra transitorios
Las líneas eléctricas o los circuitos de conmutación pueden generar picos de voltaje repentinos conocidos como transitorios. Estos pueden estresar el diodo Zener o los componentes conectados. Agregar un circuito amortiguador, una combinación de una resistencia y un condensador en serie, ayuda a absorber estos picos y protege el circuito de sobretensiones repentinas.
Ondulación y estabilidad de suministro
Si el voltaje de entrada tiene ondulación (pequeñas variaciones de CA en una señal de CC), la salida del Zener también puede fluctuar. Para reducir la ondulación:
• Utilice una resistencia en serie (Rs) más grande para limitar las variaciones de corriente
• Agregue un condensador a granel en la entrada para suavizar el voltaje de suministro
• Mantenga la corriente Zener dentro de su rango de operación nominal para un rendimiento constante
Circuitos limitadores y de recorte de diodos Zener
Recorte de Zener único
Cuando un solo diodo Zener se conecta en polarización inversa a través de una línea de señal, comienza a conducir una vez que el voltaje de la señal excede el voltaje Zener. Esto evita que la señal se eleve por encima de ese nivel, recortando efectivamente cualquier exceso de voltaje. Se usa comúnmente para proteger entradas de circuitos sensibles o para crear límites de forma de onda controlados.
Zeners consecutivos para señales de CA
Para señales alternas, se colocan dos diodos Zener espalda con espalda (en direcciones opuestas). Esta disposición permite que el circuito recorte los picos positivos y negativos simétricamente, manteniendo la forma de onda dentro de un rango de voltaje fijo. Esta técnica se usa a menudo en el procesamiento de audio o la conformación de ondas para evitar la distorsión o proteger las entradas del amplificador.
Limitación de voltaje y protección de entrada
Los diodos Zener también funcionan bien como limitadores de voltaje para sistemas digitales. Pueden proteger los pines de entrada de microcontroladores, circuitos integrados lógicos o ADC de picos de voltaje que de otro modo podrían dañarlos. Cuando el voltaje se eleva por encima del umbral de Zener, el diodo conduce y sujeta el voltaje de manera segura dentro de los límites.
Confiabilidad del diodo Zener y modos de falla
Causas comunes de la degradación del diodo Zener
| Causa | Descripción | Efecto sobre el diodo Zener |
|---|---|---|
| Disipación de Exceso de Energía | Cuando el Zener disipa más potencia que su límite nominal (P = V ~ Z ~ × I ~ Z ~), el calor se acumula dentro de la unión. | Ruptura térmica permanente o deriva en el voltaje Zener. |
| Sobrecorrientes repetidas | Los picos de voltaje frecuentes o las corrientes de irrupción causan un flujo de corriente breve pero intenso a través del diodo. | Fatiga de la unión, lo que resulta en un aumento de fugas o fallas parciales. |
| Descarga electrostática (ESD) | Descargas estáticas repentinas de alto voltaje de la manipulación o circuitos cercanos. | Crea microcortocircuitos en la unión, causando fugas o cortocircuitos completos. |
| Operación de sobretensión | Usar el Zener cerca o por encima de su voltaje inverso máximo durante largos períodos. | Ruptura gradual de la unión PN y pérdida de estabilidad de voltaje. |
Prácticas de diseño preventivo
| Método preventivo | Propósito | Beneficio |
|---|---|---|
| Potencia de reducción (60-70% del valor nominal) | Limita la acumulación de calor durante la operación. | Prolonga la vida útil del diodo y previene el estrés térmico. |
| Usar resistencia limitadora de corriente | Controla la corriente a través del Zener durante los picos de voltaje. | Protege contra condiciones repentinas de sobrecorriente. |
| Agregar diodo TVS en circuitos de alto voltaje | Proporciona una rápida absorción de sobretensiones durante los transitorios. | Protege al Zener y a los componentes cercanos de pulsos de alta energía. |
| Asegure una disipación de calor adecuada | Use áreas de cobre de PCB o disipadores de calor si es necesario. | Mantiene la temperatura de la unión dentro de límites seguros. |
Conclusión
Los diodos Zener son componentes confiables para mantener el voltaje constante y evitar daños por sobretensiones. Su comportamiento de avería único les permite regular la energía y proteger las partes sensibles de un circuito. Con un diseño y control de corriente adecuados, ofrecen un rendimiento estable y duradero en aplicaciones de regulación y protección de voltaje.
Preguntas frecuentes [FAQ]
¿Cuál es el símbolo de un diodo Zener?
Parece un símbolo de diodo normal pero con bordes doblados en la línea del cátodo, lo que muestra que conduce en reversa cuando se alcanza el voltaje Zener.
¿Cómo afecta la temperatura al voltaje Zener?
El voltaje Zener disminuye con la temperatura de los diodos por debajo de 5,6 V y aumenta para los que están por encima de 5,6 V. Alrededor de 5,6 V, se mantiene casi estable.
¿Cómo probar un diodo Zener con un multímetro?
En el modo de diodo, la polarización directa muestra aproximadamente 0,6-0,7 V y la polarización inversa muestra abierta. Para verificar el voltaje Zener, enciéndalo en reversa con una resistencia y mida el voltaje constante.
¿Qué define la potencia nominal de un diodo Zener?
Es el producto del voltaje y la corriente de Zener (P = VZ × IZ). Las clasificaciones comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W, lo que muestra cuánta potencia puede manejar el diodo de manera segura.
¿Qué es la resistencia dinámica en un diodo Zener?
Es el pequeño cambio de voltaje dividido por el cambio de corriente en la región de ruptura. Una menor resistencia dinámica significa una mejor estabilidad de voltaje.
¿Puede un diodo Zener regular el voltaje de CA?
Sí, cuando dos Zeners están conectados espalda con espalda, pueden recortar picos positivos y negativos, lo que limita las oscilaciones de voltaje de CA.