Qué es un diodo Zener, funcionamiento y aplicaciones

Los diodos Zener son diodos de unión PN corrientes, pero que tienen la capacidad de funcionar en condiciones de polaridad inversa.

Como muchos no sabrán qué es exactamente un diodo, vamos a verlo antes de entrar en profundidad con el Zener.

Símbolo del diodo y diodo Zener

ℹ ¿Qué es un diodo?

Un diodo es un componente electrónico que está formado por una combinación de material semiconductor de tipo p con uno de tipo n (diodo de unión PN). Es muy empleado en rectificación de señales AC procedentes de transformadores, entre otras muchas aplicaciones.

A través de la unión de ambos semiconductores se forma una polaridad eléctrica o dipolo eléctrico, causando un flujo desde el lado n al lado p y generando a su vez un potencial eléctrico en la unión.

Este potencial eléctrico es en realidad la tensión umbral del diodo y se sitúa en torno a 0.6V para los diodos de silicio y 0.2V para los de germanio.

Actúa como una barrera de potencial que impide la circulación de portadores mayoritarios de carga (por debajo de dicha tensión umbral) haciendo que el diodo no conduzca corriente eléctrica.

Cuando al diodo se le aplica un voltaje negativo al lado n y un voltaje positivo al lado p, se dice que el diodo está en polarización directa.

Este voltaje aplicado tiende a disminuir la barrera potencial cuando es superior a la tensión umbral, permitiendo así la circulación de portadores mayoritarios y, por tanto, del flujo de corriente.

Cuando se le aplica un voltaje de manera opuesta se dice que está en polarización inversa.

Este voltaje provoca que la barrera de potencial aumente obstaculizando aún más el flujo de portadoras mayoritarios. Sin embargo, sí permite el flujo de portadores minoritarios (agujeros en tipo n y electrones en tipo p).

Cuando este voltaje inverso es tan elevado para el diodo, se produce la ruptura de la región de agotamiento, causando un aumento masivo del flujo de corriente. Es en este punto donde entra en juego el uso del diodo Zener.

ℹ ¿Qué es un diodo Zener?

Como comentamos, el diodo Zener es prácticamente igual que el diodo de unión PN estándar, pero este está especialmente diseñado para aprovechar una configuración de polarización inversa.

A diferencia de un diodo convencional que bloquea cualquier flujo de corriente a través de sí mismo cuando está polarizado al revés, tan pronto como la tensión inversa alcanza un valor predeterminado, el diodo Zener comienza a conducir en la dirección inversa. Esta es la característica más destacada de este elemento.

La corriente que fluye en ese punto, aumenta drásticamente al valor máximo del circuito. El punto de tensión en el que el voltaje se estabiliza se denomina «tensión zener» (Vz).

Esta tensión zener en la curva I-V es casi una línea recta vertical.

✅ Aplicaciones del diodo Zener

Regulador de Tensión

En un circuito de DC (corriente continua o directa), el diodo Zener se puede utilizar como regulador de tensión o como referencia de tensión.

La función principal del Zener radica en el hecho de que la tensión a través de un diodo Zener permanece constante aunque haya un cambio importante de corriente.

Esto permite utilizar un diodo Zener como dispositivo de tensión constante.

Un circuito simple, donde se quiera hacer uso de un Zener como regulador, requiere de una resistencia de bajo valor conectada en serie con la fuente de tensión de entrada.

El valor bajo es necesario para permitir el máximo flujo de corriente a través del diodo (se conecta en paralelo).

La únicas limitaciones son:

1. La corriente a través del Zener no debe ser inferior a su corriente mínima. En pocas palabras, para una tensión de entrada mínima y una corriente de carga máxima, la corriente del diodo Zener debe ser, al menos, Izmin.
2. La potencia que debe disipar el diodo debe ser inferior a su potencia máxima:

Potencia Máx = Imax * Vz

Como conoceríamos la tensión de entrada y la tensión de salida que queremos, es fácil elegir un Zener con una tensión aproximadamente igual a la tensión de carga o salida, es decir, Vz ~= Vo.

El valor de la resistencia en serie se escoge para que sea:

R = (Vin – Vz)/ (Izmin + IL), donde IL es la corriente de salida o carga.

Ejemplo:

Queremos diseñar un circuito con una tensión de salida de 10V y una corriente de carga que pueda variar entre 0 (carga desconectada) y 50 mA.

La tensión de entrada será de 15V. Supondremos que la corriente mínima para polarizar al Zener en zona de ruptura es de 5 mA.

 

Con estos datos, sabemos que necesitamos un diodo con tensión zener de 10V y que la potencia máxima que deberá soportar será:

Pmáx = 0.050 * 10 = 500 mW

• Calculamos la resistencia a colocar en serie al voltaje de entrada:

R = (Vin – Vz) / (Izmin + IL)

R = (15 – 10) / (0.005 + 0.050)

R = 90.9 Ω

Como no tenemos resistencias de este valor, vamos a seleccionar una resistencia de 91 ohmios.

R = 91 Ω

La resistencia seleccionada debe de soportar una potencia máxima de:

Pmáx = (0.050)² * 91 = 227.5 mW

Recortador de Tensión

En un circuito con una fuente de entrada de AC también se puede utilizar un diodo Zener.

El diodo se puede utilizar para limitar el pico de la tensión de salida a la tensión zener en un lado y a la tensión umbral en el otro semiciclo de la onda.

Durante el ciclo positivo, una vez que la tensión de entrada alcanza el valor de la tensión zener (Vz), la tensión de salida es constante durante un cierto tiempo hasta que la tensión comienza a disminuir.

Ahora, durante el medio ciclo negativo, el diodo zener se encuentra en polarización directa.

A medida que la tensión negativa aumenta hasta la tensión de umbral hacia adelante, el diodo comienza a conducir y el lado negativo de la tensión de salida se limita a la tensión de umbral.

Si son colocados dos diodos Zener opuestos en serie, se podrá obtener una señal recortada a Vz en ambos semiciclos de la onda.

Víctor González

Ingeniero Técnico en Electrónica Industrial y Automática. Gran interesado en el mundo tecnológico, el marketing digital y el SEO. Piensa 3D me ha permitido unir mis dos principales pasiones: la electrónica y la creación de proyectos online.