Los diodos de estado sólido tienen muchas "profesiones". Puede rectificar la tensión, desacoplar los circuitos eléctricos y proteger los equipos de una alimentación inadecuada. Pero hay un tipo de "funcionamiento" no tan normal de un diodo cuando su propiedad de conducción unidireccional se utiliza de forma muy indirecta. Un dispositivo semiconductor cuyo modo de funcionamiento normal es la polarización inversa se denomina estabilizador.
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Qué es un diodo zener, dónde se utiliza y qué tipos existen
Un estabilitrón, o diodo Zener (llamado así por el científico estadounidense que estudió y describió por primera vez las propiedades de este dispositivo semiconductor), es un diodo normal con una unión p-n. Se caracteriza por su funcionamiento en la región de polarización negativa, es decir, cuando se aplica una tensión en polaridad inversa. Un diodo de este tipo se utiliza como regulador autónomo, manteniendo constante la tensión de consumo independientemente de las variaciones de la corriente de carga y de las fluctuaciones de la tensión de entrada. Los conjuntos de diodos estabilizados también se utilizan como fuentes de tensión de referencia para otros estabilizadores con circuitos avanzados. Con menos frecuencia, el diodo inverso se utiliza como elemento formador de impulsos o como supresor de sobretensiones.
Hay estabilizadores convencionales y reguladores de doble cuadratura. Un estabilitrón de doble cuadratura son dos diodos dispuestos en direcciones opuestas en la misma carcasa. Se puede sustituir por dos dispositivos separados en un circuito adecuado.
Características voltamperométricas de un estabilitrón y su funcionamiento
Para entender cómo funciona un estabilizador, es necesario estudiar su característica típica de voltios y amperios (VAC).
Si un zener es energizado en la dirección de avance como un diodo normal, se comportará como un diodo normal. A unos 0,6 V (para un dispositivo de silicio) se abrirá y entrará en la sección lineal del CVC. Sobre el tema del artículo es más interesante ver cómo se comporta el diodo estabilizador cuando se aplica la tensión de polaridad inversa (el lado negativo de la característica). Al principio su resistencia aumentará bruscamente y el dispositivo dejará de transportar corriente. Pero cuando el voltaje alcanza un determinado valor, se produce un fuerte aumento de la corriente, llamado ruptura. Es de naturaleza de avalancha, y desaparece cuando se retira la energía. Si la tensión inversa sigue aumentando, la unión p-n comenzará a calentarse y entrará en modo de ruptura térmica. La descomposición térmica es irreversible y significa que el diodo fallará, por lo que no se debe poner el diodo en este modo.
La sección de ruptura de avalancha del dispositivo semiconductor es interesante. Su forma es casi lineal y tiene una gran pendiente. Esto significa que con un gran cambio en la corriente (ΔI), el cambio en la caída de tensión a través del estabilizador es relativamente pequeño (ΔU). Y esto es la estabilización.
Este comportamiento cuando se aplica la tensión inversa es característico de cualquier diodo. Pero la peculiaridad de un diodo estabilizador es que sus parámetros en esta sección del CVC están normalizados. Su tensión de estabilización y la pendiente de la característica están especificadas (con un cierto margen) y son parámetros importantes que determinan la idoneidad del dispositivo para su uso en un circuito. Se pueden encontrar en los libros de referencia. Los diodos normales también pueden utilizarse como diodos estabilizadores, si se toma una foto de su curva de potencia y se encuentra uno con una característica adecuada entre ellos. Pero se trata de un proceso largo, que requiere mucho tiempo y cuyo resultado no está garantizado.
Las principales características de un diodo estabilizador son
Para seleccionar un diodo Zener para la aplicación en cuestión, hay que tener en cuenta varios parámetros importantes. Estas características determinarán la idoneidad del dispositivo seleccionado para la aplicación.
Tensión nominal de estabilización
El primer parámetro del zener que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar es la tensión de estabilización, que viene definida por el punto de inicio de la ruptura de la avalancha. Este es el punto de partida para la selección de un dispositivo que se utilizará en un circuito. Diferentes copias de zener ordinario, incluso del mismo tipo, tienen variaciones de voltaje en la región de unos pocos por ciento, mientras que la diferencia es menor para los de precisión. Si no se conoce la tensión nominal, se puede determinar montando un circuito sencillo. Prepárate:
- Una resistencia de lastre de 1...3 kΩ;
- Fuente de tensión ajustable;
- Un voltímetro (se puede utilizar un comprobador).
Hay que elevar la tensión de alimentación desde cero y utilizar el voltímetro para comprobar el aumento de tensión a través del regulador. En algún momento se detendrá a pesar de nuevos aumentos de la tensión de entrada. Esta es la tensión de estabilización real. Si no se dispone de una fuente regulada, se puede utilizar una fuente de alimentación con una tensión de salida constante que se sepa que es superior a la estabilización U. El circuito y el principio de medición siguen siendo los mismos. Pero existe el riesgo de que el dispositivo semiconductor falle debido a una corriente de funcionamiento excesiva.
Los estabilizadores se utilizan para tensiones de 2...3V hasta 200V. Para formar una tensión estable por debajo de este rango, se utilizan otros dispositivos: los estabilitrones, que trabajan en la sección recta del CVC.
Rango de corriente de funcionamiento
La gama de corrientes a las que los dispositivos estabilizadores realizan su función está limitada en la parte superior e inferior. En la parte inferior se limita al inicio del segmento lineal del reverso de la curva característica. A corrientes más bajas, la característica no proporciona constancia de tensión.
El valor superior está limitado por la máxima disipación de potencia que el dispositivo semiconductor es capaz de alcanzar y depende de su diseño. Los estabilizadores en cajas metálicas están diseñados para corrientes más altas, pero no hay que olvidar el uso de disipadores de calor. Sin ellos, la mayor disipación de energía permitida será significativamente menor.
Resistencia diferencial
Otro parámetro que determina el rendimiento de un regulador es la resistencia diferencial, Rc. Se define como la relación entre el cambio de tensión ΔU y el cambio de corriente resultante ΔI. Se trata de un valor de resistencia, medido en ohmios. Gráficamente, es la tangente de la pendiente de la característica. Evidentemente, cuanto menor sea la resistencia, mejor será la calidad de la estabilización. Para un estabilizador ideal (inexistente en la práctica), Rst es cero: cualquier aumento de la corriente no provocará ningún cambio en la tensión y la sección de la curva será paralela al eje de ordenadas.
Etiquetado de los estabilizadores
Los diodos estabilizadores encapsulados en metal, nacionales e importados, están etiquetados de forma sencilla y clara. Están marcados con el nombre del dispositivo y la ubicación del ánodo y el cátodo en forma de designación esquemática.
Los dispositivos con carcasa de plástico están marcados con anillos y puntos de diferentes colores en el lado del cátodo y del ánodo. El color y la combinación de signos pueden servir para determinar el tipo de aparato, pero es necesario consultar libros de referencia o utilizar programas de cálculo. Ambos se pueden encontrar en Internet.
Las tensiones estabilizadoras se imprimen a veces en diodos estabilizadores de baja potencia.
Diagramas de cableado del estabilizador
El circuito básico para conmutar un regulador está en serie con un una resistenciaque establece la corriente a través del dispositivo semiconductor y toma el exceso de tensión. Los dos elementos constituyen divisor común. Cuando se modifica la tensión de entrada, la caída a través del regulador permanece constante y la resistencia cambia.
Un circuito de este tipo puede utilizarse por sí solo y se denomina regulador paramétrico. Mantiene constante la tensión de carga a pesar de las fluctuaciones de la tensión de entrada o del consumo de corriente (dentro de ciertos límites). También se utiliza como circuito auxiliar cuando se necesita una fuente de tensión de referencia.
También se utiliza para proteger los equipos sensibles (sensores, etc.) contra las altas tensiones anormales (CC o impulsos aleatorios) en la línea de alimentación o de medición. Todo lo que supera la tensión de estabilización del dispositivo semiconductor se "corta". Este circuito se denomina "barrera Zener".
En el pasado, la propiedad de una barrera Zener de "cortar" los topes de tensión se utilizaba ampliamente en los circuitos de formación de impulsos. En los circuitos de CA, se utilizaron dispositivos de dos canales.
Pero con el desarrollo de la tecnología de los transistores y la llegada de los circuitos integrados, este principio apenas se ha utilizado.
Si no tiene a mano un regulador de la tensión correcta, puede estar compuesto por dos tensiones. La tensión total de estabilización será igual a la suma de las dos tensiones.
¡Importante! Los estabilizadores no deben conectarse en paralelo para aumentar la corriente de funcionamiento. La variación de las características de tensión-voltaje conducirá a la ruptura térmica de un estabilitrón, entonces el segundo fallará debido a la excesiva corriente de carga.
Aunque la documentación técnica de la época soviética permite en paralelo conexión en paralelo de En la época soviética se permite conectar ceros en paralelo, pero con la condición de que los dispositivos deben ser del mismo tipo y la disipación de potencia real total durante el funcionamiento no debe superar la permitida para un solo estabilitrón. En otras palabras, no se puede lograr un aumento de la corriente de funcionamiento con esta condición.
Se utiliza un circuito diferente para aumentar la corriente de carga admisible. El regulador paramétrico se complementa con un transistor para crear un repetidor de emisor con una carga en el circuito de emisor y un tensión en la base del transistor.
En este caso, la tensión de salida del regulador será inferior a la estabilización en U por el valor de la caída de tensión en la unión del emisor - para un transistor de silicio unos 0,6 V. Para compensar esta reducción, se puede conectar un diodo en serie con el estabilizador en la dirección de avance.
De esta manera (incluyendo uno o más diodos) se puede ajustar al alza la tensión de salida del regulador dentro de unos pequeños límites. Si se necesita una Uv radicalmente mayor, es mejor incluir otro diodo en serie.
El ámbito de aplicación del estabilitrón en los circuitos electrónicos es muy amplio. Con un enfoque consciente de la elección, este dispositivo semiconductor ayudará a resolver muchas tareas establecidas para el diseñador.
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