Electrónica I - Laboratorio

Index Terms— Palabras Claves. Diodo Zener, Región Zener, Voltaje Zener, Corriente de Prueba, Corriente de Rodilla.

I. PREGUNTAS INICIALES.

1. Describa el comportamiento de un diodo Zener en polarización directa. ¿Presenta alguna diferencia respecto al comportamiento del diodo de unión pn? Justifique su respuesta.

- En polarización directa el diodo Zener presenta el mismo comportamiento que un diodo de unión pn, es decir para valores iniciales de tensión, la corriente tiene valores poco significativos; luego a partir de cierto valor en el voltaje (Voltaje de Conducción), la corriente crece abruptamente, siendo este comportamiento exponencial.

2. De las regiones en las cuales puede operar un diodo, ¿Cuál de ellas es la más utilizada en la operación de un diodo Zener y qué tipo de polarización se prefiere utilizar para este tipo de diodos? ¿Por qué?

- La región más utilizada para aprovechar las funciones de este tipo de diodos, es la región conocida en diodos pn como región de ruptura, y la cual para este caso se conoce como región Zener. Esto evidentemente ocurre cuando trabajamos en polarización inversa y se llega a cierto punto (Voltaje Zener), en el cual el diodo pasa de un estado de no conducción, a un alza bastante significativa en el valor de corriente.

3. Mencione y explique los parámetros de un diodo Zener que se pueden encontrar en una hoja de datos, indicando para cada uno de ellos por qué es necesario conocerlo y tenerlo en cuenta para la utilización de este dispositivo en un circuito en particular.

- Además de los rangos de temperatura para la operación del diodo, en la hoja de datos se pueden encontrar los siguientes valores:

Voltaje Zener (Vz), el cual indica el valor de tensión a partir del cual el diodo comienza a operar en la región de Zener y es importante para la regulación del voltaje.

Corriente Zener de prueba (Izt), es la corriente correspondiente al Vz, con la cual el fabricante ha realizado su prueba. Esta es una referencia del valor promedio que puede tener la corriente en la región Zener.

Corriente de Rodilla (Izk), corresponde a la corriente mínima que conduce el diodo, es decir cuando este entra en la región Zener. Nos permite conocer la corriente mínima con la que puede trabajarse en dicha región.

Corriente Máxima (Izm), es la corriente máxima con la cual el diodo permite trabajar. Este valor es de suma importancia, pues superarlo acarrearía daños en el dispositivo o el circuito mismo.

4. ¿Cuál es la principal aplicación de los diodos Zener?, para esta aplicación, ¿Por qué se hace uso de diodos Zener y no de unión pn?

Práctica 2 - Estudio de las características del Diodo Zener

Diana Pombo (Cód. 200022988, dpombo@uninorte.edu.co), Iván Yaber (Cód. 200023903, yaberi@uninorte.edu.co)

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- Los diodos Zener son ampliamente usados para regular voltaje, pues los diodos de unión pn sufren daños inmediatos al someterse al voltaje de ruptura, mientras que los diodos Zener pueden soportar altos voltajes después de dicho valor. Idealmente un regulador Zener debe mantener siempre el voltaje que deseamos, aun si el voltaje de la fuente o la carga varían.

-

II. PROCEDIMIENTO, DATOS y ANÁLISIS.

Parte A.

- Procedimiento:

Se consultó en la hoja del fabricante los valores de corriente máxima que soporta cada uno de los diodos en polarización directa,

Imax (1N4735A) = 200mA Imax (BZX55C) = 100mA

Ahora bien, se realizó el montaje indicado en la figura 1 de la guía de laboratorio, pero cambiando la posición del diodo 1N4735A, pues en esta parte analizaríamos polarización directa y el diodo se encontraba en inversa. El hecho de que sea un diodo Zener, no cambia este hecho.

Luego buscamos un voltaje de 0.05v en el diodo, y se tomaron los valores de voltaje de la fuente, de la resistencia y la corriente en el circuito. Y con aumentos de 0.05v hasta llegar a 0.8v se registraron todos estos valores en la Tabla 1. Por último se obtuvo la Gráfica 1 correspondiente a V vs I.

Voltaje Voltaje Voltaje en Corriente a

del diodo

de la fuente(V

)

la resistenci

a (V)

traves del diodo (A)

0,047 0,7 0,063 0,0002330,091 0,7 0,043 0,000159

0,152 0,1 0,03 0,000111

0,201 0,1 0,018 0,000067

0,253 0,2 0,03 0,000111

0,289 0,2 0,01 0,000037

0,345 0,3 0,027 0,0001

0,398 0,393 0,005 0,000019

0,46 0,458 0,002 0,000007

0,49 0,486 0,004 0,000015

0,536 0,535 0,001 0,000004

0,584 0,586 0,002 0,000007

0,641 0,66 0,019 0,00007

0,695 0,804 0,109 0,000404

0,757 1,719 0,962 0,003563

0,8 4,9 4,1 0,015185

Tabla 1. 1N4735A. Polarización Directa.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.90

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

Grafica V vs I

Gráfica 1.1N4735A. V vs I.

- Análisis:

La ubicación en la que se encuentra el diodo es incorrecta para el análisis de polarización directa, ya que tal como se muestra en la

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figura, el diodo se encuentra en polarización inversa, es decir el voltaje del cátodo es mayor que el voltaje del ánodo. En la grafica a partir de la tabla podemos evidenciar nuestra afirmación, ya que la forma de la grafica se ajusta a lo estudiado teóricamente como la grafica de voltaje vs corriente de un diodo en polarización directa.

Vemos entonces, que el diodo en directa se comporta como un diodo de unión pn, comprobando lo que se respondió en la sección de preguntas iniciales. Para valores iniciales de tensión, la corriente es mínima, y solo hasta el Voltaje de Conducción, los valores de la corriente comienzan a aumentar exponencialmente.

Parte B.

- Procedimiento:

Para los experimentos en polarización inversa, fue necesario tener en cuenta algunos valores característicos, encontrados en la hoja del fabricante, que se resumen en la siguiente tabla,

D1N4735AVz 6,2vIzt 41mAIzk 1mAIzm 146mA

Luego se realizó el montaje de la figura 1, tal cual como aparece en la guía de laboratorio, pues de esta manera el diodo se encuentra en polarización inversa. Luego ajustando el voltaje de la fuente inicialmente en 0v, se realizaron aumentos de 1v hasta llegar a 5v, registrando el voltaje sobre el diodo, sobre la resistencia y la corriente del circuito en la Tabla 2.

A continuación se incrementó el voltaje de la fuente hasta obtener una medición de 5mA en la corriente en el circuito, y a partir de este valor, con aumentos de 5mA hasta llegar a 60mA se tomaron los valores del

voltaje en la fuente, en el diodo y en la resistencia en la Tabla 3.

Por último se obtuvieron las gráficas correspondientes a V vs I del diodo, para ambas tablas, en la Gráfica 2 y la Gráfica 3.

Tabla 2. 1N4735A. Polarización Inversa.

0 1 2 3 4 5 60

0.10.20.30.40.50.60.70.80.91

V vs I

Gráfica 2.1N4735A. V vs I.

3

Voltaje de la fuente(V)

Voltaje del diodo(V)

Voltaje en la resistencia (V)

Corriente a través del diodo (A)

0,004 0,004 0 0

1,03 0,979 0 0

1,954 1,946 0 0

2,915 2,906 0 0

4,063 4,055 0 0

4,985 4,97 0 0

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Tabla 3. 1N4735A. Polarización Inversa.

-7.1 -7 -6.9 -6.8 -6.7 -6.6 -6.5 -6.4 -6.3 -6.2 -6.1

-0.07

-0.06

-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0

Gráfica 3.1N4735A. V vs I.

- Análisis:

Cuando la corriente que fluye por el diodo ha alcanzado el valor de la corriente de rodilla,

el diodo se encuentra en la región Zener, por lo que el diodo empieza a cumplir la función por la cual fue usado en dicho circuito, es decir, regular voltaje, en tal punto el diodo cambia de un estado en el cual no permite el paso de corriente a uno donde se produce un incremento significativo en el valor de la corriente; el valor de voltaje medido en ese punto es llamado voltaje Zener en el cual el diodo adquiere las características previamente mencionadas, en las cuales a pesar del cambio de la carga o del voltaje aportado por la fuente, este trata de mantener el voltaje constante.

Parte C.

- Procedimiento:

Para esta parte, se realizó el montaje de la figura 2, con el diodo BZX755C. Antes que nada, se consultaron los valores del diodo que brinda la hoja del fabricante,

DBZX55CVz 5,4vIzt 5mAIzk 1mAIzm 80mA

Luego se realizó el montaje del circuito indicado en la figura 2, el cual es conocido como regulación Zener en derivación. Para el experimento, inicialmente se configuró la fuente en 0v y se incrementó dicho valor hasta que la corriente en el diodo alcanzó el valor de Izt (5mA). A partir de este valor de tensión se realizaron mediciones del voltaje en el diodo, la fuente, la resistencia limitadora y la corriente en el diodo y la resistencia limitadora, con incrementos de 2v en el voltaje de la fuente hasta llegar a 20v, dichos valores se registraron en la Tabla 4.

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Voltaje de la

fuente(V)

Voltaje del diodo

(V)

Voltaje en la

resistencia (V)

Corriente a través

del diodo (A)

6,496 -6,2295

0,2665 -0,001

7,62 -6,297 1,323 -0,005

9,14 -6,502 2,638 -0,01

10,51 -6,595 3,915 -0,015

11,87 -6,601 5,269 -0,02

13,04 -6,52 6,52 -0,025

14,67 -6,6 8,07 -0,03

16,13 -6,75 9,38 -0,035

17,14 -6,62 10,52 -0,04

18,65 -6,78 11,87 -0,045

20,18 -6,84 13,34 -0,05

21,6 -6,95 14,65 -0,055

22,99 -7,01 15,98 -0,06

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Tabla 4. Regulación Zener en Derivación.

- Análisis:

El voltaje medido en el punto donde la corriente es Izt correspondiente al Vz, con la cual el fabricante ha realizado su prueba. Esta es una referencia del valor promedio que puede tener la corriente en la región Zener.

La característica especial que tiene el voltaje de salida es que, a pesar que el voltaje de la fuente aumenta considerablemente, el voltaje de salida no varía significativamente, se mantiene entre 5,2 V y 5,4 V, lo que indica que el diodo cumple en el circuito con la función que debería realizar.

En este circuito, nos encontramos con,

Fuente DC, que suministra el voltaje a los elementos.

Resistencia Limitadora, la cual como su nombre lo indica, se encarga de limitar la corriente que pasará por el resto del circuito, en especial al diodo.

Diodo BZX755C, cumple la función de regulador, el voltaje en este diodo idealmente se mantendrá igual aunque los valores de voltaje de

entrada, o resistencia de carga cambien.

Resistencia de Carga, recibirá los “beneficios” de regulación del Zener, pues, al estar en paralelo con el diodo, su voltaje siempre se mantendrá igual, aunque hayan cambios en la entrada.

.Parte D.

- Procedimiento:

Para esta sección se realizó el montaje de la figura 3, usando el diodo BZX755C y usando una señal sinusoidal como entrada con una amplitud de 5V pico y una frecuencia de 1kHz.

Por medio del osciloscopio, obtuvimos las gráficas correspondientes a la entrada y la salida usando ambos canales para observarlas. La primera muestra se hizo con 10v pico-pico, y luego se tomaron dos muestras más con 15v pico-pico y 20v pico-pico.

Finalmente se realizó el mismo procedimiento pero con la figura 4 especificada en la guía.

Para ambos casos, se obtuvieron así mismo las gráficas en PSpice.

Montaje. Figura 3.

Gráfica 4.BZX755C. 5v pico.

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Vf (V) Vd (V) Vrlim (V) Id (mA) I in (mA)

8 5,21 2,669 4,78 4,785

9,93 5,28 4,37 11,101 11,106

12,02 5,33 6,4 18,669 18,674

13,97 5,35 8,4 26,154 26,159

15,96 5,39 10,14 32,643 32,648

18,01 5,41 12,22 40,427 40,432

19,98 5,42 14,06 47,322 47,327

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Gráfica 5.BZX755C. 7,5v pico.

Gráfica 6.BZX755C. 10v pico.

PSpice. Figura 3.

Gráfica 7.BZX755C. 5v pico.

Gráfica 8.BZX755C. 7,5v pico.

Gráfica 9.BZX755C. 10v pico.

Montaje. Figura 4.

Gráfica 10.BZX755C. 5v pico.

Gráfica 11.BZX755C. 7,5v pico.

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Gráfica 12.BZX755C. 10v pico.

PSpice. Figura 4.

Gráfica 13.BZX755C. 5v pico.

Gráfica 14.BZX755C. 7,5v pico.

Gráfica 15.BZX755C. 10v pico..

- Análisis:

Figura 3. En la figura 3 se realizó el montaje con un solo diodo. En este análisis podemos comprobar una vez más, las características del diodo Zener, incluso en corriente alterna. Desde ciertos valores pico en el voltaje de entrada, el voltaje de salida en el diodo se mantiene siempre igual, aún si existen variaciones significativas en la entrada, esto se observa en la gráfica como las regiones planas de la onda verde. Esto confirma la función reguladora del diodo Zener.

Figura 4. En la figura 4 se realizó el montaje de dos Diodos Zener “encontrados”, estos

funcionan también como reguladores de voltaje en alterna, estos recortan la señal de salida. Durante el semiciclo positivo el diodo superior conduce y el de abajo se encuentra en la región Zener, y así la salida se verá recortada; en los semiciclos negativos ocurre lo contrario, generando así el efecto de onda cuadrada.

III. PREGUNTAS FINALES.

1. Basándose en los datos obtenidos en las Tablas 1, 2 y 3 de la sección Resumen de Resultados, analice el comportamiento del voltaje sobre el diodo 1N4735A. Determine a qué región de operación corresponde cada tabla, y en cuál de los casos se presenta un comportamiento característico al voltaje Zener.

- Según los datos obtenidos en la tabla 1, podemos ver claramente que al realizar la grafica voltaje vs corriente en el diodo, este se encuentra en la región de polarización directa, los valores de voltaje no alcanzaron el punto de voltaje de arranque o umbral, por lo que no alcanzamos a apreciar incrementos exponenciales en la corriente con alzas insignificantes en valores de voltaje.

Por otro lado, a partir de la tabla 2 se puede decir que el diodo se encuentra en polarización inversa, mas no ha entrado en la región Zener, puesto que el voltaje en ningún momento alcanza o supera el voltaje mínimo que necesita el diodo para entrar en la región Zener.

Finalmente, en la tabla 3 logramos apreciar que el diodo está en la región de polarización inversa, y también se encuentra operando en la región Zener, donde el diodo regula el voltaje en el circuito, prueba de esto es que a pesar que cambiamos el voltaje entregado por la fuente y el valor de la carga, el voltaje de salida sigue siendo aproximadamente el mismo: -6,6 V.

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2. A partir de los resultados obtenidos en las pruebas hechas al Regulador Zener en derivación y de los conocimientos teóricos previos, describa que pasaría si se reemplaza la resistencia de carga por una de menor valor. ¿Se mantienen las mismas condiciones de regulación? ¿Qué parámetros se deben tener en cuenta para saber qué valores de carga se le pueden conectar a un regulador Zener y cómo influyen sobre dicha selección?

- En casos ideales, si se cambia la carga, el voltaje de salida no debería variar, pero las fuentes no son ideales, asi que conforme la carga va aumentando el voltaje de salida disminuye, su relación es inversa, por lo que si se coloca una carga muy pequeña puede que la tensión de salida aumente de tal forma que el diodo salga de la region Zener.

Para saber que valores de carga se le pueden conectar a un regulador Zener se deben tener en cuenta el voltaje de salida, la resistencia limitadora y la corriente minima y máxima para estar en la región Zener.

3. ¿Con qué nombres se conocen los circuitos de las figuras 3 y 4? Explique cuantitativa y cualitativamente el porqué de los resultados obtenidos en las pruebas realizadas con estos circuitos.

- El circuito de la figura 3 se conoce como Regulador de Tensión en vacío, esto porque la carga aún no ha sido conectada. Y el circuito de la figura 4 se conoce como generador de onda cuadrada.

Cuantitativamente, puede decirse que al llegar a el valor numérico de de voltaje Zener, este se mantiene en dicho valor. Y cualitativamente, esto se explica por las características propias del diodo de estar más o menos fijo alrededor de cierto voltaje.

4. Basándose en los resultados obtenidos a lo largo de la práctica, realice una tabla

comparativa entre los diodos Zener trabajados en esta práctica y los diodos de unión pn convencionales, describiendo las semejanzas y diferencias, así como las principales aplicaciones para las cuales es usado cada uno de ellos.

Diodo Unión Pn Diodo ZenerEn polarización directa empieza a conducir a partir del Voltaje de Arranque y luego la corriente crece exponencialmente.

Presenta el mismo comportamiento en polarización directa.

En polarización inversa conduce valores poco significativos de corriente, hasta llegar al Voltaje de Ruptura, a a partir del cual, el dispositivo presenta daños.

En polarización Inversa, para valores iniciales de tensión, el diodo no conduce. Luego pasa por una sección de rodilla, en la cual va cambiando su comportamiento, hasta llegar al Voltaje Zener, para el cual precisamente esta diseñado. Se mantiene idealmente en este voltaje, mientras la corriente aumenta significativamente.

Este diodo es ampliamente utilizado en rectificación, en corriente alterna, el diodo trabaja en directa para los ciclos positivos, permitiendo el paso de la corriente; mientras que para los ciclos negativos, se polariza de manera inversa, impidiendo la conducción.

Este diodo se usa primordialmente como regulador de voltaje. En donde a partir de cierto valor de Tensión, la misma se mantiene constante, no importando la variación de parámetros como el voltaje de entrada o la carga conectada al circuito.

IV. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

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De la anterior experiencia se pudo aprender, analizar y comprobar las características de los diodos Zener, reconociendo su principal utilidad cuando se encuentran operando en la región de Zener, es decir cuando actúan como reguladores de voltaje en la región de polarización inversa, principal diferencia con los diodos de unión pn, que al pasar el valor de tensión de ruptura se descomponen.

V. REFERENCIAS

http://www.datasheetcatalog.org/ SEDRA, Adel; SMITH, Kenneth.

Circuitos Microelectrónicos. 5ª Ed. McGraw HIll. Mexico 2006.

Manual de guías de Laboratorio. Electrónica I. Julio A. Maldonado, Nadime I. Rodríguez. Colaboración de Ing. Mauricio Pardo. Universidad del Norte.

http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/ TecInfo/08/ZENER.html

http://fisica.udea.edu.co/~lab-gicm/ 2009_electronica/2009__diodo_Zener.pdf

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