Diodos Zener

 Le pedimos a la inteligencia artificial Gemini de Google que  nos hable sobre los diodos zener

Hablanos detalladamente sobre los diodos zener

¡Absolutamente! Los diodos Zener son un tipo especial de diodo semiconductor que se diseñó para operar en la región de "ruptura inversa" de su curva característica de voltaje-corriente. En lugar de evitar esta ruptura, los diodos Zener se fabrican para tener un voltaje de ruptura inversa preciso y bien definido, lo que los convierte en componentes clave para la regulación de voltaje.

¿Qué es un diodo Zener?

Un diodo Zener es un diodo semiconductor que, al igual que los diodos rectificadores, permite el flujo de corriente en la dirección directa cuando se supera su voltaje de umbral. Sin embargo, su característica distintiva es su comportamiento en polarización inversa. Cuando se aplica un voltaje inverso que alcanza el voltaje Zener (V Z ​ ), el diodo comienza a conducir una corriente significativa en la dirección inversa. Lo crucial es que, dentro de un cierto rango de corriente, el voltaje a través del diodo Zener permanece relativamente constante, incluso si la corriente que lo atraviesa varía. Esta propiedad de "regulación de voltaje" es su principal aplicación.

Mecanismos de ruptura Zener y avalancha:

La ruptura inversa en un diodo Zener puede ocurrir a través de dos mecanismos:

Ruptura Zener (para voltajes Zener bajos, típicamente por debajo de 5.5V): Ocurre debido a un fuerte campo eléctrico en la región de agotamiento que es capaz de arrancar electrones de las bandas de valencia, permitiendo que fluyan a través de la unión en dirección inversa. Este efecto es altamente dependiente del dopado y resulta en una ruptura aguda y un coeficiente de temperatura negativo (el voltaje Zener disminuye ligeramente con el aumento de la temperatura).

Ruptura por avalancha (para voltajes Zener más altos, típicamente por encima de 5.5V): Ocurre cuando los electrones que cruzan la región de agotamiento bajo un fuerte campo eléctrico ganan suficiente energía para chocar con otros átomos, liberando más electrones (y huecos). Estos nuevos portadores de carga también son acelerados por el campo eléctrico y pueden causar más colisiones, creando una "avalancha" de corriente. Este efecto tiene un coeficiente de temperatura positivo (el voltaje Zener aumenta ligeramente con el aumento de la temperatura).

Los diodos Zener con voltajes alrededor de 5.5V a menudo se diseñan para operar en una región donde ambos efectos son significativos, lo que resulta en un coeficiente de temperatura cercano a cero, ofreciendo una regulación de voltaje más estable con los cambios de temperatura.

Características clave de los diodos Zener:

Voltaje Zener (V Z ​ ): Es el voltaje de ruptura inversa especificado para el diodo. Está determinado por el nivel de dopado de la unión PN durante la fabricación. Los diodos Zener están disponibles con una amplia gama de voltajes Zener, desde unos pocos voltios hasta varias decenas de voltios.

Corriente Zener de prueba (I ZT ​ ): Es la corriente específica a la cual se mide y se especifica el voltaje Zener en la hoja de datos.

Impedancia Zener (Z Z ​ ): Representa el cambio en el voltaje Zener por unidad de cambio en la corriente Zener (ΔV Z ​ /ΔI Z ​ ) alrededor del punto de operación. Una impedancia Zener baja indica una mejor regulación de voltaje (el voltaje Zener permanece más constante con los cambios en la corriente).

Potencia nominal (P D ​ ): Es la potencia máxima que el diodo Zener puede disipar sin dañarse por sobrecalentamiento. Se calcula como el producto del voltaje Zener y la corriente máxima que puede manejar (P D ​ =V Z ​ ×I ZM ​ ). Es crucial no exceder esta potencia nominal.

Corriente Zener mínima (I ZK ​ o I Z(min) ​ ): Es la corriente mínima requerida para que el diodo Zener opere en su región de regulación y mantenga el voltaje especificado. Por debajo de esta corriente, el voltaje puede caer bruscamente.

Corriente Zener máxima (I ZM ​ o I Z(max) ​ ): Es la corriente máxima que el diodo Zener puede soportar sin exceder su potencia nominal.

Símbolo esquemático:

El símbolo esquemático de un diodo Zener se dibuja de manera similar a un diodo regular, pero con las patas de la línea vertical (cátodo) dobladas o en forma de "Z" para distinguirlo:

Ánodo (+) Cátodo (-)

            |>--<|

A veces, las "patas" del cátodo son rectas pero con una ligera curva hacia afuera.

Aplicaciones de los diodos Zener:

La principal aplicación de los diodos Zener es la regulación de voltaje. Se utilizan comúnmente en circuitos reguladores de voltaje simples para proporcionar un voltaje de salida constante a partir de una fuente de voltaje variable. Otros usos incluyen:

Referencia de voltaje: Proporcionan un voltaje de referencia estable para otros circuitos, como comparadores y convertidores analógico-digitales. Protección contra sobrevoltaje: Se pueden utilizar para proteger circuitos sensibles limitando el voltaje máximo que puede alcanzar un determinado punto del circuito. Si el voltaje excede el voltaje Zener, el diodo comenzará a conducir y desviará el exceso de corriente, evitando daños a otros componentes. Desplazamiento de nivel de voltaje: Se pueden utilizar para desplazar el nivel de CC de una señal.

Recorte de ondas (clipping): Al polarizar dos diodos Zener en serie en direcciones opuestas, se puede recortar una señal de CA a los voltajes Zener de los diodos.

Circuitos reguladores de voltaje Zener básicos:

El circuito regulador de voltaje Zener más simple consiste en una resistencia en serie (R S ​ ) conectada a la fuente de voltaje no regulada (V in ​ ) y el diodo Zener conectado en paralelo con la carga (R L ​ ). 

 Vin (+)
   |
 Rs
   |
|>--<| (Diodo Zener)
   |
-----
| | Rl (Carga)
-----
   |
Vin (-) (GND)


En este circuito:

La resistencia en serie (R S ​ ) limita la corriente que fluye a través del diodo Zener y la carga.

Cuando el voltaje de entrada (V in ​ ) varía o la resistencia de carga (R L ​ ) cambia, el diodo Zener ajusta su corriente para mantener el voltaje a través de él (y por lo tanto a través de la carga) lo más constante posible en su voltaje Zener (V Z ​ ).

Consideraciones al diseñar con diodos Zener:

Selección del voltaje Zener (V Z ​ ): Debe elegirse según el voltaje regulado deseado.

Selección de la resistencia en serie (R S ​ ): Su valor debe elegirse cuidadosamente para asegurar que el diodo Zener opere dentro de su rango de corriente especificado para todas las condiciones de entrada y carga. Debe ser lo suficientemente pequeña para permitir que fluya la corriente mínima requerida (I ZK ​ ) incluso con el voltaje de entrada mínimo, pero lo suficientemente grande para limitar la corriente máxima a través del diodo Zener dentro de su potencia nominal cuando la carga es mínima y el voltaje de entrada es máximo.

Potencia nominal del diodo Zener (P D ​ ): Debe ser lo suficientemente alta para disipar la potencia máxima que el diodo podría generar en las peores condiciones de carga (carga mínima, voltaje de entrada máximo).

Tolerancia del voltaje Zener: Los diodos Zener tienen una cierta tolerancia en su voltaje Zener especificado (por ejemplo, ±5% o ±10%). Esto debe tenerse en cuenta en el diseño si se requiere una regulación de voltaje precisa.

Impedancia Zener (Z Z ​ ): Una impedancia Zener baja proporcionará una mejor regulación de voltaje.

En resumen, los diodos Zener son componentes especializados diseñados para aprovechar su característica de ruptura inversa controlada para proporcionar una referencia de voltaje estable y realizar la regulación de voltaje en circuitos electrónicos. Su capacidad para mantener un voltaje relativamente constante a través de ellos dentro de un cierto rango de corriente los convierte en herramientas valiosas en el diseño de fuentes de alimentación y circuitos de protección.