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Extraido del libro "PRINCIPIOS DE ELECTRĂ“NICA de Albert Paul Malvino Solo para uso acadĂŠmico

Diodos de proposito especifico

\

Los diodos msis utilizados son 10s recacadores. Se emplean en fuentes de alimentacidn para convertir tensidn alterna en tensidn continua. Pero la r e ~ ~ c a c i no d nes la Gca funcidn que puede hacer un diodo. En este capitulo se diicutiran otras aplicaciones de 10s diodos. Se comienza por el diodo zener, cuyas propiedades m& utiles son las de la zona de ruptura. Los diodos zener son muy importantes, ya que son la clave para la regulacidn de tensidn. Se verhn tambien 10s didos optoelectrdnicos, 10s diodos Schottky, 10s varicap y otros.

:5-1. EL DIODO ZENER Los diodos rectificadores y 10s diodos para pequeiia seiial nunca se emplean intencionadamente en la zona de ruptura, ya que esto podria daiiarlos. Un diodo zener es diferente; se trata de un diodo de silicio que se ha disefiado para que funcione en.la zona de ruptura. Llarnado a veces diodo de avalancha, el diodo zener es la parte esencial de 10s reguladores de tensidn; tstos son circuitos que mantienen la tensidn casi constante con independencia de que se presenten grandes variaciones de la tensidn de red y de la resistencia de carga. .


D Grmca corriente-tension (I-VI La Figura 5-la muestra el simbolo de un diodo zener; la Figura 5- l b es otra opci6n. En. cualquiera de 10s dos simbolos, las lineas recuerdan la letra <<z>>, simbolo de zener. Variando el nivel de dopaje de 10s diodos de silicio, el fabricante puede producir diodos zener con tensiones de ruptura que van desde 2 hasta 200 V. Estos diodos pueden funcionar en cualquiera de las tres zonas: directa, de fugas y de ruptura. La Figura 5-lc muestra la grfica I-V de un diodo zener. En la zonahirecta cornienza a conducir aproxirnadamente a 10s 0,7 V, igual que un diodo normal de silicio. En la zona de fugas (entre cero y la zona zener) circula solamente una pequeiia coniente inversa. En un diodo zener la mptura tiene un cod0 muy pronunciado, seguido de un aumento casi vertical en la comente. ObsCrvese que la tensi6n es casi constante, aproximadamente igual a V, en la mayor parte de la zona de mptura En las hojas de caractensticas es frecuente que se indique el valor de V,, para un valor particular de la comente I,. La Figura 5-lc tarnbiCn muestra la mairima comente inversa Im Mientras la comente inversa sea menor que Imp el diodo esta funcionando dentro de su zona de seguridad. Si la corriente es mayor que Im, el diodo se destruirh. Para prevenir un exceso de comente inversa se debe usar una resistencia lirnitadora de comente (que se comentarh mhs tarde).

0 Resistencia zener '

En la tkrcera aproximaci6n de un diodo de silicio, la tensi6n directa a travQ de un diodo es igual a la tensi6n umbral m h una tensi6n adicional a travQ de la resistencia interna. Similarmente, en la regi6n de ruptura, la tensi6n inversa a travCs de un diodo es igual a la tensi6n de ruptura m k una tensi6n adicional a travCs de la resistencia interna. En la zona inversa la resistencia interna se conoce como la resistencia zener. Esta resistencia es igual a la pendiente en la regi6n de ruptura. En otras palabras, cuanto m8s vertical es la zona de ruptura menor es la resistencia zener. En la Figura 5-lc, la resistencia zener significa que un aumento en la comente inversa producirh un ligero aumento en la tensi6n inversa. El in-

(a)

(b)

(c)

FlgUra 5-1. Diodo zener. a) Simbolo; b) simbolo alternativo; c) curva del diodo.


cremento de tensi6n es muy pequeiio, generalmente de unas dCcimas de voltio. Esto puede ser muy importante en el diseiio, per0 no en la detecci6n de averias ni en 10s andisis preliminares. A menos que se indique otra cosa, en nuestro estudio se harit caso omiso de la resistencia zener.

O Regulador zener Un diodo zener recibe a veces el nombre de diodo regulador de tensi6n porque mantiene la tecsi6n entre sus terminales constante, incluso cuando la comente sufra carnbios. En condiciones normales, el diodo zener debe tener polarizaci6n inversa, como se ve en la Figura 5%. Ademb, para:trabajaren la zona zener, la tensi6n de la hen@ V, debe ser mayor que la tensi6n de ruptura V, Siempre se emplea una resistencia en serie Rsypara limitar la comente a un valor menor de su limitaci6n mixima de comente. En caso contrario, el diodo zener se quemaria, como cualquier dispositivo que disipase excesiva potencia. En la Figura 5-2b se observa una forma alternativa de dibujar el circuito que incluye las masas. Siempre que un circuito tenga una linea de masa, es preferible medir las tensiones de 10s nudos respecto a masa. Sup6ngaseypor ejemplo, que se desea medir la tensi6n de la resistencia en serie de la Figura 5-2b. He aqui la forma de realizarlo cuando el circuito ya est6 construido. Primero, se mide la tensi6n desde el extremo izquierdo de Rs a masa. Segundo, se mide la tensi6n desde el extremo derecho de Rsa masa. Por liltimo, se restan las dos tensiones para obtener la tensi6n en R,. Si se tiene un voltimetro flotante, se puede conectar directamente entre 10s extremos de la resistencia en serie. En la Figura 5-2c se ve la salida de una fuente de alimentacidn conectada a una resistencia en sene con un diodo zener. Este circuito se utiliza cuando se desea una tensi6n continua de salida que sea menor que la salida de la fuente de alimentaci6n. Un circuito como Cste recibe el nombre de regulador zener de tensi6n o simplemente regulador zener.

Q. De nuevo. la ley de Ohm En la Figura 5-2, la tensi6n en la resistencia en serie o resistencia limitadora de comente es igual a la diferencia entre la tensi6n de la fuente y la tensi6n zener. Por m t o , la comente en la resistencia es:

FUENTE

vs

F 3 v z7 -L -

-

-

+

CON RECTIFICADORA FILTRO vs

--

CONDENSADOR A LA EMRADA

+

4

'i~ vz

-

--

-

--

FigUra 5-2. Regulador zener. a ) Circuito bbico; b) el mismo circuito con maias; c) la fuente

de alimentacidn excita al regulador.


Si ya se tiene el valor de la comente en serie, se tiene tarnbi6n el valor de la comente zener. Esto es porque la Figura 5-2 es un circuito en serie. N6tese que 4 tiene que ser menor que Im.

0 Diodo zener ideal 6 Figura 5-3. Aproximacidn ideal para un diodo zener.

Para detecci6n de averias y andisis prelirninares, la zona zener se puede aproxirnar mediante una recta vertical. En consecuencia, la tensi6n es consmte incluso cuando la comente cambie, lo cual equivale a ignorar la resistencia zener. En la Figura 5-3 se ilustra la aproximaci6n ideal para un diodo zener. Esto significa que el diodo zener, al funcionar en la zona de ruptura, se comports tebricamente como.una bateii8. En un circuito, este hecho quiere decir que un diodo zener se puede sustituir mentalmente por una fuente de tensibn de valor &, suponiendo que el diodo zener est6 funcionando en la zona de ruptura.

Figura 5-4. Ejemplo.


5-2, EL REGULADOR ZENER CON CARGA En la Figura 5-5a se muestra un regulador zener con carga, rnientras que en la Figura 5-5b se muestra el mismo circuito con masas. El diodo zener funciona en la zona de ruptura y mantiene constante la tensi6n en la carga. Incluso cuando la tensi6n en la fuente cambie o la resistencia de carga' varie, la tensidn en la carga sigue estando fija e igual a la tensi6n zener.

O Funcionamiento en la zona de ruptura iC6m0 se puede saber si el diodo zener de la Figura 5-5 estl trabajando en la zona de ruptura? A causa del divisor de tensibn, la tensi6n Thevenin que ve el diodo es:

~ s t es a la tensi6n que hay cuando el diodo zener esti desconectado del circuito. Esta tensi6n de Thevenin tiene que ser mayor que la tensi6n zener; en caso contrario, el diodo no llegaria a polarizarse en la zona de ruptura:.

O Corriente en serie

&

A inenos que indique otra cosa, en todo el estudio siguiente diremos que el diodo zener esti funcionando en la zona de ruptura. En la Figura 5-5, la comente que circula por la resistencia en serie esti dada por

Figura 5-5. Regulador zener con carga. a) Circuito bhsico; 6 ) circuito pr6ctico.


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PRINCIPIOS DE ELECTR~NICA

~ s t es a la ley de Ohm aplicada a la resistencia limitadora de comente. Es la misma haya o no una resistencia de carga. En otras palabras, si se desconecta la resistencia de carga, la comente en Rs seguiri siendo igual a la tensi6n en la resistencia dividida por la resistencia.

D Corriente por la carga Idealmente, la tensi6n en la carga es igual a la tensi6n zener, ya.que la resistencia de carga esti en paralelo con el diodo zener. Matemiticarnente:

Esto permite aplicar la ley de Ohm para calcular la coniente por la carga:

D Corriente zener Por la ley de Kirchhoff de las comentes,

El diodo zener y la resistencia de carga estin en paralelo. La suma de sus comentes tiene que ser igual a la comente total, que es la rnisma comente que circula'por la resistencia en serie. Expresando esta relaci6n de otra manera se obtiene esta importante ecuaci6n: Iz = Is - IL

(5-6)

Esta ecuaci6n indica que la comente zener ya no es igual a la comente en sene, como sucede en el regulador zener sin carga. Debido a la resistencia de carga, la corriente zener en este caso es igual a la comente en serie menos la comente por la carga. La Tabla 5-1 resume 10s pasos en el anilisis de un regulador zener con carga. Se empieza con la comente en serie, se sigue por la tensi6n en la carga y la comente por la carga, y finalmente la comente zener. Tabla 5-1. Analizando un regulador zener con carga

Proceso

Comentario

Aplicar la ley de Ohm a Rs La tensi6n en la carga iguala a la del diodo Paso 3 Calcular la comente por la carga, Ec. (5-5) Aplicar la ley de Ohm a RL Aplicar la ley de la comenPaso 4 Calcular la corriente zener, Ec. (5-6) te al diodo

Paso 1 Calcular la coniente en serie, Ec. (5-3) Paso 2 Calcular la tensi6n en la carga, Ec. (5-4)


DIODOS DE PROP~SITOE S P E C ~ C O

CI ~ f e c t ozener Cuando.la tensi6n de ruptura es mayor de 6 V, la causa de la ruptura es el efecto avalancha, discutido en el capitulo 2. La idea blsica es que 10s portadores minoritarios se aceleran a velocidades suficientemente altas como para desligar otros ponadores minoritarios, produciendo una cadena o efecto avalancha que desencadena una gran comente inversa. El efecto zener es diferente. Cuando un diodo esti fuertemente dopado, la zona de deplexi6n se hace muy estrecha. A causa de esto, el campo elCctrico a travCs de la zona de deplexidn (tensi6n dividida por distancia) es muy intenso. Cuando la fuerza del campo alcanza aproximadhente 300.000 Vlcm, el campo es lo suficientemente intenso para empujar a 10s electrones fuera de sus orbitales de valencia. La creacidn de electrones libres de esta fomza se conoce como efecto zener (tambiCn denominado como emisi6n por carnpo ,mde). Esto es bastante diferente a1 efecto avalancha, que depende de portadores rninoritarios de gran.velocidad desligando a 10s el'ectrones de valencia. Cuando la tensi6n de ruptura es inferior a 4 V, s610 tiene Iugar el efecto zener. Cuando la tensi6n de ruptura es superior a 6 V s610 ocurre el efecto avalancha. Cuando la tensi6n de ruptura estA entre 4 y 6 V existen ambos efectos. El efecto zener fue descubierto antes que el efecto avalancha, asi que todos 10s diodos usados en la zona de ruptura se conocen como diodos zener. Aunque se puede oir ocasionalmente el tCrmino diodo de avalancha, el nombre diodo zener es el mls general para todos 10s diodos de ruptura.

O Coeficiente de temperatura A1 elevarse la temperatura ambiente circundante, la tensi6n zener cambia un poco. En las hojas de caracteristicas el efecto de la temperatura se indica como coeficiente de temperatura, que es el cambio en la tensidn de ruptura por cada grado que aumenta la temperatura. Para diodos zener con tensiones de ruptura menores de 4 V (efecto zener), el coeficiente de temperatura es negativo. Por ejemplo, un diodo zener con una tensi6n de ruptura de 3,9 V puede tener un coeficiente de temperatura de -1,4 mVI0C. Si la temperatura aumenta 1 "C, fa 'tensi6n de ruptura decrece 1,4 mV. Por otro lado, para diodos zener con tensiones de ruptura mayores de 6 V (efecto avalancha), el coeficiente de tem'peratura es positivo. Por ejemplo, un diodo zener con una tensi6n de ruptura de 6,2 V puede tener un coeficiente de temperatura de 2 mV/"C. Si la temperatura aumenta 1 "C, la tensi6n de ruptura aumenta 2 mV. Entre 4 y 6 V, el coeficiente de temperatura cambia de negativo a positivo, lo que significa que es posible hallar un punto de funcionamiento para el diodo zener en el cual el coeficiente de temperatura sea cero. Este dato es importante en algunas aplicaciones en que se requiere una tensi6n zener constante en un interval0 grande de temperaturas.

161


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PRINCIPIOS DE ELECTR~NICA

Figura 5-6. Ejemplo.


DIODOS DE PROP~SITOESPEC~FICO

lTK-$y-$qm FUENTE

+

TACION

-

-

--

--

-

Figura 5-7. Ejemplo.

Flgura 5-8. Diodo zener usado para confomaci6n de onda.

163


FUENTE

+

Fieura 5-9. Aplicaciones Zener. a) Produciendo tensiones de salida no estAndar; b) usando un re16 de 6 V en un sistema de 12 V; c ) empleando un condensador de 6 V en un sistema de 12 V.

'

.


.

I

DIODOS DE PROP~SITO ESPEC~CO

5-3. SEGUNDA APROXIMACION ZENER

DE UN DlODO

La Figura 5-10a muestra la segunda aproximaci6n de un diodo zener. Una resistencia zener estd en serie con una bateria ideal. La tensi6n total a travCs del diodo zener es igual a la tensi6n de ruptura mds la caida de tensi6n a travCs de la resistencia zener. Como Rz es relativmente pequeiia en un diodo zener, Csta tiene s610 un pequeiio efecto en la tensi6n total a trav6s del diodo zener. :'

D Efecto en la tension en la carga iC6m0 podemos calcular el efecto de la resistencia zener en la tensidn en la carga? La Figura 5- lob muestra una fuente de alimentaci6n excitando un regulador zener con carga. Idealmente, la tensi6n en la carga es igual a la tensi6n de ruptura V,. Pero en la segunda aproximaci6n incluimos la resistencia zener, como se muestra en la Figura 5-10c. La caida de tensi6n adicional a trav'Cs de RZ incrementard ligeramente la tensi6n en la carga. Como la corriente zener circula a travCs de la resistencia zener en la Figura 5-10c, la tensi6n en la carga viene dada por:

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PRINCIPIOS DE ELECTR~NICA

Como se puede observar, el cambio en la tensi6n en la carga respecto altaso ideal es:

Normalmente, RZ es pequefia, de tal forma que la tensi6n cambia poco, tipicamente decenas de voltios. Por ejemplo, si 1, = 10 rnA y Rz = 10 Q, entonces AV, = 0,l V.

Q Efecto en el rizado

. ..-. . Por lo que respecta a1 &ado, po-demos usar el circuit0 equivalente mostrado en la Figura 5-1 la. En otras palabras, las bnicas componentes que afec- . tan a1rizado son las tres resistencias que se muestran. Podemos simplificar esto incluso mis. En un diseiio tipico, RZ es mucho menor que RL;por tanto, las.bnicas dos componentes que tienen un efecto significativo en el rizado son la resistencia serie y la resistencia zener mostrada en la Figu' r a 5-llb.

ALIMEN-

--

-

-i

-

-

TACION

( c)

i

Figura 5-10. Segunda aproximaci6n de un diodo zener. a) Circuito equivalente; b) fuente de alimentaci6n excita un regulador zener; c) resistencia zener incluida en el andisis.

'


DIODOS DE PROP~SITOESPEC~NCO

Figura 5-11. El regulador zener reduce el rizado. a ) Circuito equivalerite para seiial complkto; b ) circuit0 equivalente para seiial simplificado.

Como la Figura 5-1 1b es un divisor de tensibn, podemos escribir la siguiente ecuaci6n para el rizado de salida:

'

Los cdculos del rizado no son criticos; es decir, no tienen que ser exactos. Como Rses siempre mucho mayor que Rz en un disefio tipico, podemos usar esta aproximaci6n para las detecciones de averias y andisis prelirninares:

Figura 5-12. Regulador zener con carga.

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PRINCIPIOS DE ELECTR~NICA


Figura 5-13. Anglisis en simulaci6n (EWB) del rizado de un regulador zener.

5-4. PUNT0 LCMITE DE FUNCIONAMIENTO E N LA ZONA ZENER Para que un regulador zener pueda mantener constante la tensi6n de salida, el diodo zener debe permanecer en la zona de ruptura en todas las condiciones de funcionamiento, lo que equivale a decir que debe haber comente por el zener para todas las tensiones de fuente y todas las comentes por la carga.


O Condiciones del peor caso La Figura 5- 14a muestra un regulador zener. Tiene las siguientes comentes:

Ahora, consideraremos qu6 sucede cuando la tensi6n de la fuente decrece desde 20 hasta 12 V. En 10s cilculos anteriores se puede ver que Is decreceri, I, pennanecerii igual, I, disminuiri. Cuando Vs es igual a 12 V, Is seri igua1.a 10 mA, IZ = 0. Con esta tensi6n de fuente tan baja, el diodo zener esd a punto de salirse de la regi6n de ruptura. Si la fuente decrece mhs, la regulaci6n se perderii. En otras palabras, la tensi6n en la carga se hari menor que 10 V. Por tanto, una tensi6n de fuente baja puede causar que el circuito zener falle en la regulaci6n. Otra forma de perder la regulaci6n consiste en tener demasiada comente por la carga. En la Figura 5- 144 considere lo que sucede cuando la resistencia de carga decrece de 1 162 a 200 0.Cuando la resistencia de carga es 200 R, la comente por la carga se incrernenta hasta 50 mA y la comente zener decrece a cero. De nuevo.el diodo zener estA a punto de salirse de la regi6n de ruptura. Por tanto, un circuito zener d e j d de regular si la resistencia de carga es demasiado baja.

Figura 5-14. Regulador zener. a) Funcionarniento normal; b) condiciones del peor caso en el limite del mal funcionamiento.


DIODOS DE PROP~SITOESPEC~FICO

Finalmente, consideraremos lo que sucede cuando Rs crece desde 200 Q hasta 1 la.En este caso, la comente en sene decrece de 50 a 10 mA. Por ello, una resistencia en serie alta puede hacer que el circuito deje de regular correctamente. La Figura 5-14b resume las ideas anteriores mostrando las condiciones del peor caso. Cuando la corriente zener esth cerca de cero, la regulaci6n zener se aproxima a la condici6n de fallo. Analizando el circuito para estas condiciones del peor caso es posible derivar la siguiente ecuacibn:

TambiCn es 6tiI una forma alternativa de este :ecuaci6n:

Estas dos ecuaciones son dtiles porque se puede comprobar si un reguIador zener fallarii bajo algunas condiciones de operaci6n.

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PRINCIPIOS DE ELECTR~NICA

5-5. C6MO LEER UNA HOJA DE CARACTER~STICAS En el ApCndice se muestra la hoja de caracten'sticas para la sene IN746 de diodos zener. Esta hoja de caracteristicas tarnbiCn sirve para la serie IN957 y la serie 1N4370. Consulte las hojas de caracten'sticas en el siguiente estudio. De nuevo en este caso, la mayor'parte de la informaci6n de una hoja de caractensticas es para 10s diseiiadores, per0 a continuaci6n se dan algunos datos que incluso quienes detectan averias y hacen pruebas debenan saber.

O Potencia maxima La disipaci6n de potencia de un diodo zener es igual a1 product0 de su tensi6n por su corriente:

Por ejemplo, si Vz = 12 V e I, = 10 rnA, entonces:

Siempre que PZ sea menor que la limitaci6n de potencia, el diodo zener podrd funcionar en la zona de ruptura sin que se destruya. Los diodos zener disponibles comercialmente tienen limitaciones de potencia desde 114 hasta mds de 50 W. Por ejemplo, la hoja de caracteristicas relativa a la serie IN746 indica una potencia miixima de 400 mW. Un diseiio robusto incluye un factor de seguridad para mantener la disipaci6n de potencia muy por debajo de este miximo de 400 mW. Como se ha dicho antes, en 10s diseAos conservadores se emplean factores de seguridad de 2 o mds.

LI Corriente maxima Las hojas de caractensticas normalmente incluyen la comente miixima que puede circular por un diodo zener sin exceder su limite de potencia. Esta

'


DIODOS DE PROP~SITOE S P E C ~ C O

comente mixima esth relacionada con la potencia mixima de la forma siguiente:

donde:

I,,

= comente mixima por el diodo zener

PZM = limitaci6n de potencia mhima V, = tensi6n zener

Por ejemplo, el IN759 tiene una tensi6n zener de 12 V. Por tanto, su comente mhxima es

La hoja de caractensticas.proporcionados limitaciones de comente mixima: 30 y 35 mA. ObsCrvese que estos valores incluyen nuestra respuesta te6rica de 33,3 mA. La hoja de caractensticas proporciona dos valores debido a la tolerancia en la tensi6n zener. Si se satisface la limitaci6n de comente, automiticamente se satisface la limitaci6n de potencia. Por ejemplo, si la corriente se mantiene menor de 33,3 rnA, a1 mismo tiempo la disipaci6n de potencia se mantiene menor de 400 mW. Si se incluye un factor de seguridad igual a 2, ya no hay por quC preocuparse de que el diodo se queme a causa de un diseiio poco comun. '

O Tolerancia La nota 1 en la hoja de caracten'sticas muestra estas tolerancias: Serie 1N4370: & 10 por 100, sufijo A para 25 por 100. Sene 1N746: +lo por 100, sufijo A para +5 por 100. Serie 1N957: +20 por 100, sufijo A para +lo por 100, sufijo B para 25 por 100. Por ejemplo, un lN967 tiene una tensi6n zener de 18 V con una tolerancia de +20 por 100. El 1N967A tiene las rnismas tensiones zener con una tolerancia de k10 por 100, y el N967B tiene la rnisma tensi6n con una tolerancia de +5 por 100. '

5 Resistencia zener La resistencia zener (tarnbiCn llarnada impedancia zener) puede designarse .par Rn o por Zn.Por ejemplo, el IN961 tiene una resistencia zener de 8,5 R medida a una comente de prueba de 12,5 mA. Mientras la comente zener se mantenga por encima del cod0 de la curva, puede tomarse 8,5 $2como el valor aproximado de la resistencia zener. Pero obskrvese que la resistencia zener aumenta en el cod0 de la curva (700 R ) . Lo importante es que el punto

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de funcionamiento debe estar cerca de la coniente de prueba, si es posible. En ese caso se sabe que la resistencia zener es relativamente pequeiia. La hoja de caractensticas contiene una gran cantidad de informaci6n adicional, per0 estfi dirigida bisicarnente a 10s diseiiadores. Si el lector trabajase en diseiio, entonces tendria que leer con mucho detenimiento la hoja y tambiCn las notas que indican c6mo fueron medidas las caracteristicas.

El factor de ajuste que se incluye en las hojas de caracten'sticas indica c u h to hay que reducir la'lirnitaci6n-'de potencia de un dispositivo. La serie 1N746, por ejemplo, tiene una limitaci6n de potencia de 400 mV para una temperatura de 50 "C. El factor de ajuste que se da es de 3,2 mWI0C, lo que significa que se deben restar 3,2 mW por cada grado que rebase 10s 50 "C. Aunque no se estC trabajando en diseiio, hay que tener cuidado con el efecto de la temperatura. Si se sabe que la ternperatura superarfi 10s 50 "C, el diseiiador,tiene que ajustar o reducir la limitaci6n de potencia del diodo zener.

En la Figura 5-15 se muestra un regulador Zener. Si el circuito estfi funcionando adecuadarnente, la tensi6n entre A y masa debe ser de +18 V, la tensi6n entre B y masa debe ser de +10 V y la tensi6n entre C y masa debe ser de +10 V.

0 Sintomas caracteristicos Ahora veamos quC es lo que podn'a fallar en el circuito. Cuando un circuito no esti funcionando correctamente, la persona que va a detectar la averia comienza, en general, midiendo tensiones. Estas mediciones de tensi6n dan pistas que ayudan a aislar el problema. Sup6ngase, por ejemplo, que se miden estas tensiones en 10s nudos:

Lo que detectando averias se podria pensar despuCs de haber medido las tensiones anteriores es lo siguiente:

Este fallo produce sintomas caracteristicos. La linica forma de obtener este conjunto de tensiones es con una conexi6n abierta entre B y C.

.


DIODOS DE PROP~SITOESPEC~FICO

0 Sintomas ambiguos

+ 18V

No todas las averias producen sintomas caracteristicos, pues a veces varias generan el mismo conjunto de tensiones. He aqui un ejemplo: sup6ngase que el detector de averias mide estas tensiones:

iEn qui consiite la avena? ~eflexihnernosvnoi minutos. Cuando tengr la respuesta, lea lo siguiente. Un detector de averias podria hallar el problema de esta manera. Sus consideraciones serian quizi Cstas:

En este punto, el detector de averias desconectaria la resistencia en sene y mediria su resistencia con un 6hmetro. Cabe la posibilidad de que estuviese abierta. Pero sup6ngase que la medida indica una resistencia en buen estado. Entonces el detector d'e averias deberia proceder como sigue:

Ahora el detector de averias desconoce m6s causas posibles para explicar el origen del problema. Finalmente, hallari cud es la averia. se queman, por lo general, se ponen en circuito Cuando 1os~'componentes abierto, pero no siempre. Algunos dispositivos semiconductorespueden generar cortocircuitos internos, en cuyo caso son como resistencias nulas. Otras causas que pueden producir cortocircuitos son las salpicaduras de soldadura entre las pistas de una taqeta de circuito impreso, una gota de soldadura que toque dos pistas, etc. Por ello, es necesario plantearse hip6tesis que tengan en cuenta 10s componentes en cortocircuito y 10s componentes abiertos.

C3 ~ a b l a de averias La Tabla 5-2 muestra las posibles averias del regulador zener de la Figura 5- 15. A1 trabajar con tensiones, recuerde esto: un componente en cortocircuito es equivalente a una resistencia nula, mientras que un componente abierto es equivalente a una resistencia infinita. Si tiene problemas con 10s cAlculos a1 usar cero e infinito, entonces emplee 0,001 R y 1.000 MQ. En

-f$

--

-

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176

PRINCIPIOS DE ELECTR~NICA

otras palabras, emplee una resistencia muy pequeiia en vez de un cortocircuito, y una resistencia muy grande en lugar de un circuito abierto. En la Figura 5-15, la resistencia en sene Rs puede estar en cortocircuito o en circuito abierto. Designemos estas averias como R, y R,. Andlogamente, el diodo zener puede estar en cortocircuito o abierto y lo simbolizaremos mediante D l s y D l o . Ademis, la resistencia de carga puede estar en cortocircuito o abierta, R, y RLO,Finalmente, el conductor de conexi6n entre B y C puede estar abierto, denominado BCo. En la Tabla 5-2, la segunda fila muestra las tensiones cuando la averia es Rss, una resistencia en serie cortocircuitada. Si la resistencia en serie estuviese en cortocircuito en la Figura 5-15 aparecerian +18 V en B y C , lo que destruiria el diodo zener y posiblemente la resistencia de carga. Para esta averia un voltimetro mediria 18V en A, B y C. Esta averia y sus tensiones se muestran en la Tabla 5-2. Si la resistencia en serie estuviese abierta en la Figura 5- 15 entonces no habna tensi6n en'^. En este caso, B ,y C tendn'an tensi6n cero, como se muestra en la Tabla 5-2. Continuando asi, se pueden obtener las demh entradas que se ven en la Tabla 5-2. En la Tabla 5-2, 10s comentarios indican averias que podn'an ocumr como consecuencia directa de 10s cortocircuitos originales. Por ejemplo, una Rs en cortocircuito destruiri el diodo zener y tambiCn puede quemar la resistencia de carga. Depende de la limitaci6n de potencia de la resistencia de carga. Una Rs en cortocircuito significa que hay 18 V a travCs de 1 kR.Esto produce una potencia de 0,324 W. Si la resistencia de carga tiene una limitaci6n de apenas 0,25 W, entonces se quemari. Algunas de las averias en la Tabla 5-2 producen tensiones linicas y otras producen tensiones ambiguas. Por ejemplo, las tensiones para Rss, Dlo,BCo y <<Sinalimentaci6n~son dnicas. Si se miden estas tensiones puede identificar la averia sin entrar a hacer medidas en el circuito con un 6hmetro. Por otro lado, todas las demis averias de la Tabla 5-2 producen tensiones ambiguas. Si se miden un conjunto de tensiones ambiguas se necesitari entrar en el circuito y medir la resistencia de 10s componentes sospechosos. Por ejemplo, suponga que mide 18 V en A, 0 V en B y 0 V en C.Las averias que pueden producir estas tensiones son Rso, Dls y RLS. DespuCs de estudiar la Tabla 5-2 puede practicar la deteccidn de averias con el detector de averias a1 final de este capitulo. Tabla 5-2. Averias y sintomas de un regulador zener

Averias

Ninguna Rss

Rso DIS DIO RLS

Rw BCo Sin alimentaci6n

VA (v)

VB (v)

18 18 18 18 18 18 18 18 0

10 18 0 0 14.2 0 10 10 0

vc

(v)

10 18 0 0 14,2 0 10 0 0

Comentarios

Ninglin problema D, y RLpueden estar abiertos

Rs puede estar abierta Rs puede estar abierta

Comprobar la alimentaci6n de potencia


DIODOS DE PROP~SITOESPEC~FICO

177

5-7, RECTAS DE CARGA La comente en el diodo zener de la Figura 5-16a viene dada por:

-T

Supbngase, por ejemplo, que & = 20 V y Rs= 1 kR.Entonces, la ecuaci6n precedente se reduce a:

Como antes, el punto de saturaci6n (intersecci6n vertical) se obtiene haciendo Vz igual a cero, obteniendo una IZ de 20 mA. De la misma manera, para obtener el punto de korte (interseccibn horizontal) se hace IZ igual a cero, con lo que pbtenemos V, = 20 V. De mod0 alternativo, 10s extremos de la recta de carga se pueden obtener como sigue. Piense en la Figura 5-16a con Vs= 20 V y Rs = 1 kR.Con el diodo zener en cortocircuito, la comente maxima por el diodo es de 20 rnA. Con el diodo abierto. la tensi6n mkima en el diodo es de 20 V. SupBngase que el diodo zener tiene una tensi6n de ruptura de 12 V. Entonces su curva es como la que se ve en la Figura 5- 16b. Cuando se traza la recta de carga para V,= 20 V y Rs= 1 kR, se obtiene la recta de carga de arriba con un punto de interseccidn Q,.La tensidn del diodo zener serA ligeramente mayor que la tensi6n de .cod0 de ruptura, ya que la curva est6 ligeramente inclinada. Para entender el funcionarniento de la regulaci6n de tensi6n se supone que la tensi6n de la fuente cambia a 30 V. Entonces la comente zener cambia a:

Este carnbio implica que 10s extremos de la recta de carga son 30 mA y 30 V, como se ve en la Figura 5-16b. La nueva intersecci6n se sihja en Q2.Comparando Q2con Q, se puede apreciar que hay miis comente por el diodo zener, per0 hay aproximadamente la misma tensi6n zener. Por tanto, a pesar de que la tensi6n de la fuente ha pasado de 20 a 30 V, la tensi6n zener sigue siendo a la idea bisica en la regulaci6n de aproximadamente igual a 12 V. ~ s t es tensi6n; la tensi6n de salida se ha mantenido casi constante incluso cuando la tensidn de entrada ha sufrido un carnbio bastante grande.

La optoelectr6nica es la tecnologia que combina la 6ptica con la electr6nica. Este campo incluye muchos dispositivos basados en la acci6n de una uni6n pn. Ejemplos de dispositivos optoelectrdnicos son 10s diodos ernisores de luz (LED), 10s fotodiodos, 10s optoacopladores, etc. Nuestro. estudio comienza por 10s LED.

y

-20 mA

,

-33 mA

(b)

Figura 5-16. Andisis de la recta de carga de un regulador

,

-30 mA


Diodos zener