Informe 5 analoga

PRACTICA No 5. LABORATORIO ELECTRONICA ANALOGICA I 1

Diodo Zener y Fuentes Reguladas

Robinson Jair Orduz Gómez, Brayan Fernando Canacuan Ipial, Néstor Andrés Duran CalderónFacultad De Ingeniería

Universidad Nacional De Colombia

ABSTRACT: In the report be studied the diode’s reverse-bias region and breaking region. Will be characterized the zener diode behavior, the associated electric model and their applications.Will be used the zener diode like a voltage regulator in different electrical circuits to observe the behavior of the output signal.

RESUMEN: En presente informe se va a mostrar la evidencia del laboratorio correspondiente al tema de rectificadores y fuentes utilizando diodos zener, elementos que tienen una cualidad particular que nos permite trabajar en la zona ruptura, haciendo de este una característica ideal para trabajar con aplicaciones con reguladores de voltaje de salida constante.

PALABRAS CLAVE: Diodo Zener, Región de ruptura, tensión de rodilla (Vzk), corriente de Prueba (Izt), curva característica del diodo, regulador de voltaje, rectificador de onda completa, resistencia de carga, corriente de entrada, señal de entrada, señal de salida.

I. INTRODUCCIÓN

Desde las practicas anteriormente realizadas en el laboratorio se ha estudiado el comportamiento del diodo, sus características y funcionamiento para el cual se ejercieron aplicaciones dentro de circuitos que se utilizaban para manipular la señal de salida de manera más conveniente para el fin del usuario, una de ellas era la rectificación de una señal AC a DC haciendo uso de diodos, capacitores los cuales presentaban cierta incertidumbre ya que el voltaje de salida variaba proporcionalmente al voltaje de rizado que era capaz de brindar el condensador en la rectificación cumpliendo la función de filtrado del circuito y permitió de esta manera alcanzar el objetivo.

En esta ocasión vamos hacer uso de una clase en particular de diodo, llamado diodo Zener poseedor de la singularidad que este puede trabajar en la región de ruptura del diodo manteniendo un voltaje estables y variando en cantidades su voltaje siempre y cuando se mantenga un rango en la corriente que circula sobre esta de tal manera que sea la suficiente para mantenerlo trabajando y la mínima para que el dispositivo no

exceda el máximo que pueda soportar, tales parámetros son especificados por el fabricante.

Las fuentes reguladas utilizando diodos zener no tienen complejidad circuito ya que para asegurar que el voltaje de salida sea estable se coloca una diodo zener en paralelo con una resistencia teniendo el mismo voltaje de zener.

II. JUSTIFICACION

Este informe se realiza con el propósito de verificar el funcionamiento de los diodos Zener en los circuitos empleados para la aplicación de fuentes reguladas se debe tener en cuenta la potencia generada por los elementos de circuitos para su adecuado trabajo y seguir a cabalidad las instrucciones de la guía.

III. OBJETIVOS

Objetivo general

Determinar la característica I vs. V del diodo zener y conocer su aplicación en

Objetivos específicos

a) Comprobar de forma experimental el modelo característico del diodo zener.

b) Diseñar fuentes de tensión constante bajo condiciones variables en la entrada o en la carga.

c) Identificar aplicaciones para los diodos zener.


IV. MARCO TEÓRICO

Diodos Zener

Teniendo en cuenta la curva característica del diodo y

su comportamiento en la región de ruptura, como se observa en la imagen 1, dicho comportamiento propone que los diodos que operan en la región de ruptura sean utilizados como reguladores de voltaje, gracias a la caída de voltaje casi constante. Los diodos fabricados especialmente para que operen en la región de ruptura son llamados diodos de ruptura o diodos Zener. [1]

Img. 1 Curva característica del diodo , región de ruptura. [1]

El símbolo de circuito utilizado para diodo Zener se observa en la imagen 2, en donde, a diferencia del símbolo del diodo trabajado anteriormente, éste tiene una “Z” en el cátodo. En operación, el diodo Zener permite flujo eléctrico de Cátodo a Ánodo, por lo tanto la polaridad de Vz y la dirección de Iz en la imagen 2 son correctas y tienen valores positivos.

Img. 2. Símbolo de circuito para el Diodo Zener. [1]

En la imagen 1 se observa que para corrientes mayores a ;

corriente de rodilla especificada en el datasheet por el fabricante, la curva característica se comporta casi como una

recta. También se encuentra en la hoja de datos del

fabricante una tensión asociada a una corriente (corriente de prueba) que indican un punto en la curva, punto Q en la imagen 1. También se observa que si se toma

dicho comportamiento como una recta existe un valor el cuál sería el corte con el eje horizontal de voltaje, donde la corriente vale cero. Por lo tanto es posible caracterizar el comportamiento del diodo Zener con la ecuación de una recta teniendo los valores mencionado anteriormente.

Ecuación característica del Diodo Zener

(1)

La ecuación (1) aplica para valores de y

.

De la ecuación (1) se obtiene entonces el modelo utilizado en los circuitos eléctricos para el diodo zener, el cual se muestra en la imagen 3.

Img. 3. Modelo para el diodo Zener. [1]

V. Análisis de resultados

Materiales Para esta práctica se utilizó equipos e instrumentos de mucha relevancia para la electrónica con la finalidad de profundizar en el manejo de estos y analizar su funcionamiento. Los equipos utilizados fueron:Osciloscopio (de dos Canales)Generador de señales (digital) Multímetros SondasFuente DCVarios diodos zener ResistenciasCondensadoresTransformador Conectores caimán-caimán, banana-caimán


Características del diodo zener

En esta práctica si inicio por observar los parámetros de funcionamiento del diodo tener real y para ello se diseñó el circuito 1 dela imagen 5. Tomando los valores del voltaje al ir graduando una resistencia variable y midiendo el cambio correspondiente sobre el Zener y la corriente sobre el circuito; para este circuito se utilizó un zener:

Con 5,1 V, resistencia de 7 Ω, potencia de 1 W y con una corriente de zener de 49 mA.

El valor de la fuente de salida se mantuvo constante para el valor de 17,1 voltios según los cálculos previos, el potenciómetro con valor de 500 Ω y R1 de 100 Ω.

Se hizo variar el potenciómetro desde cero a su máximo valor los valores de voltaje y corriente resultantes fueron los siguientes:

Tabla No 1 Valores de voltaje- Corriente variando el potenciómetro.

Luego se graficó V vs I, para mirar el comportamiento del elemento y ver el voltaje del diodo se debe tener en cuenta los parámetros del fabricante y al sobre poner una recta tangente

sobre la gráfica con estos valores nos da que el voltaje de zener aproximadamente es de 5,09 V.

Img 4. Curva característica del diodo zener.

Fuentes reguladas.

a) Para el segundo circuito según los cálculos obtenidos en la preparación al laboratorio se tomó que R1 sería una resistencia de 100 Ω de 2 W y se usó el diodo para el punto anterior de la caracterización, se montó el circuito en protoboard y se fijó en la fuente se pone fijo un voltaje de 20 V para luego cambiar gradualmente la resistencia variable. Se midió los valores de voltaje sobre el diodo zener y la corriente sobre la carga, tales valores están anexos en la tabla número 2.

Img 5. Circuito No 2 Diseño regulador 5,1 con resistencia variable sobre la carga.

Vo (V) Io (mA)5,07 10,825,08 11,955,09 13,055,12 19,935,15 305,22 405,3 72,15,31 80,15,37 95,1


Tabla No 2 Valores de voltaje- del circuito No 2 (variando el potenciómetro de 500 Ω)Tensión Salida

(V)Corriente Fuente

(mA)Corriente Carga

(mA)5,2 143,5 8,175,2 143,7 11,965,2 144 18,945,2 144,4 23,55,2 144,9 32,55,2 145,2 39,25,2 145,2 465,2 145,8 535,2 146,3 59,35,2 146,5 69,55,2 146,5 90

Se puede observar que el voltaje VZ no varía sin embargo la corriente sobre la carga cambia gradualmente la variación del potenciómetro se hizo de 500 a 0 para los valores finales la corriente sobre la carga aumento tomando solo como carga la resistencia de 50 Ω.

b) En esta parte de la práctica se realizara un regulador con el fin de lograr mantener un voltaje de salida de un circuito constante, mientras varía la tensión de entrada.

Este montaje se lograra mediante un diodo zener, el cual servirá como estabilizador del voltaje en una zona determinada.

Primero se calcularan los valores correspondientes al diseño del circuito que se muestra en la imagen 4, para que el valor medido por el voltímetro sea 4,7 v mientras se varía el voltaje de entrada de 16 v a 25 v.

Img 6.circuito No 3 Diseño regulador 4,7 v salida.

Se puede deducir que debido a que la resistencia 2 está en serie con el diodo zener, esta tendrá la misma tensión que

aquel, por consiguiente este será el valor del voltaje de salida medido por el multímetro.

En esta ocasión se usó un diodo de referencia 1N4732A, ya que el voltaje nominal de este diodo es de 4,7 v. lo que corresponde al valor que deseamos tener en la resistencia de carga.

Como ya se sabe cuál es la caída de tensión entre los terminales de la resistencia 2, es posible calcular la corriente en que atraviesa esta resistencia usando la ley de ohm, ya que la resistencia se mantendrá constante y el voltaje se espera que también sea lo más constante posible.

Como el diseño planteado nos muestra que la resistencia 2 es de 150Ω, se remplaza este valor en la ecuación anterior y se obtiene a corriente que atraviesa la resistencia 2.

Ya que esta constante se mantendrá constante mientras se varía la entrada de la fuente, se realiza una ecuación de corrientes:

Se observa debido a la polarización del diodo y al voltaje en la resistencia 2 que la corriente que suministra la fuente de alimentación, se divide entre la rama que contiene el diodo y la rama que contiene la resistencia, por lo cual la ecuación queda de la siguiente manera:

Se procede a determinar la corriente del diodo zener usando el datasheet de este.

Img 7. Corriente en el diodo según el datasheet.

Al obtener la corriente en el diodo zener y como ya se ha calculado la corriente por la resistencia 2, es posible obtener la corriente suministrada por la fuente que alimenta el circuito.


Como ya se conoce la corriente que pasa por R1 y el voltaje en términos del voltaje suministrado por la fuente, se procede a determinar un R1 máximo y mínimo que dependerán cada uno del voltaje de la fuente.

- En el primer caso cuando el voltaje suministrado por la fuente sea de 16 v, la tensión en R1 será la diferencia de este voltaje y 4,7 v:

De esta manera se obtiene la resistencia la resistencia mínima requerida para el diseño del circuito regulador.

Para encontrar la resistencia máxima para el circuito, se debe realizar el mismo procedimiento pero cambiando el voltaje de entrada a 25 v.

Al tener el intervalo de la magnitud de la resistencia 1, se elige una resistencia que se encuentre en ese rango y que se encuentre en el mercado y así poder diseñar nuestro circuito.

Al diseñar el circuito se usó una resistencia de 150 Ω con un error del 5 %.

Se montó el circuito No 3 en una protoboard y se midió la tensión de entrada y de salida además de las corrientes suministrada por la fuente y la corriente que atraviesa la carga (R2).

- Voltaje suministrado por la fuente: 16 v

Corriente de entrada = 59,4 mACorriente de carga (R2) = 31,2 mA

Voltaje de entrada = 16 vVoltaje de salida = 4,92 v

Al comparar con lo teórico, se hallan errores relativos para determinar una relación entre teórico practico.

El valor siempre se toma positivo ya que pertenece a un porcentaje de error.

0,65%

En este caso los porcentajes de error dieron relativamente bajos, por lo cual se analiza que los resultados teóricos concuerdan con las mediciones realizadas en la práctica.

- Voltaje suministrado por la fuente: 25 v

Corriente de entrada = 109,4 mACorriente de carga (R2) = 32,2 mAVoltaje de entrada = 16 vVoltaje de salida = 5, 05 v

Al comparar con lo teórico, se hallan errores relativos para determinar una relación entre teórico practico.

El valor siempre se toma positivo ya que pertenece a un porcentaje de error.

3,87%

En este caso los porcentajes de error aumentaron respecto a los porcentajes obtenidos al suministrar mediante la fuente 25v.

Se pudo observar que el error más grande en ambos casos correspondía a al error de la corriente de entrada ya que


esta depende de R1 y el valor de esta resistencia no fue exacta para cada valor de tensión de entrada sin que se buscó una resistencia que estuviera entre los limites, el cálculo de la corriente era específicamente para la resistencia mínima y máxima.

Para este diseño el nivel de tolerancia que se da al diodo usado seria el error mayor en el voltaje de salida. Este porcentaje es 7,45% ya que es el mayor error y comprende al error menor. Y se puede interpretar como tolerancia.

Fuente dc regulada por zener

Se debe diseñar, implementar y probar una fuente de alimentación, se debe determinar los componentes apropiados y/o sus parámetros para el circuito de la imagen 6, de tal manera que la fuente DC regulada por diodo zener cumpla con las siguientes especificaciones técnicas (como mínimo)

- Conexión a la red eléctrica domestica de V p = 110 – 120

- Suministrar Vo = 10 Vdc, con un tolerancia inferior al 5 %.

- Suministrar hasta Io = 70 mA de manera continua.

Img 8. Diseño fuente dc regulada.

Se realizaron los cálculos que sean pertinentes para el diseño de la fuente teniendo en cuenta las limitaciones físicas de losDispositivos electrónicos descritos en las hojas de datos.

Al realizar los diversos cálculos se obtuvo el diseño con las siguientes magnitudes:

RL =143

C= 1,713 mF

R1> 26

Para efectos prácticos se compraron los elementos con las siguientes magnitudes:

RL = 200

C= 2200 uF= 2,2 mF

R1=50

Se implementó el circuito de la imagen 6 y se prosiguió a tomar las medidas y observar el comportamiento con los equipos.

Resultados practica

- Tensión de entrada del transformador = Vp = 177,2 v(Valor pico)

- Tensión de salida del transformador = Vs = 15,0 v(Valor pico)

- Tensión salida puente rectificador = Vo1 =12,46 v(Valor RMS)

- Tensión salida de la fuente = V0 = 9,87 v(Voltaje DC)

- Corriente suministrada por la fuente = Io = 50,5 mA

Al comparar la tensión de salida que se generó en la práctica, con la calculada usando la teoría se observa que hay una muy pequeña diferencia, y que ambos datos están acordes unos a otros.

La tolerancia es menor al 5%, que correspondía a la especificación técnica con la cual se debía diseñar la fuente DC, correspondiente al voltaje a suministrar, se realizó e implemento un adecuado diseño.

Al comparar la corriente suministrada con la requerida, hay una gran diferencia por lo que se deduce que esta fuente no cumplió con este requisito técnico.

La magnitud de este error también fue producido por los elementos, los cuales prácticamente no se consiguieron, por ende se tuvo que utilizar elementos con magnitudes


similares a las calculadas teóricamente, para poder conseguir comercialmente.

Para este circuito se puede otorgar el nivel de tolerancia dependiendo a la tolerancia o error que se calculó al comparar lo teórico con lo práctico en la tensión de salida, por lo cual la tolerancia posiblemente otorgada por los datos obtenidos sea de 1,3%

VI. PREGUNTAS SUGERIDAS.

a. Tras finalizar la práctica, ¿Qué nivel de tolerancia otorgaría a cada uno de los diodos zener trabajados?

Fuentes reguladas (b).- Para este diseño el nivel de tolerancia que se da al

diodo usado seria el error mayor en el voltaje de salida.

Este porcentaje es 7,45% ya que es el mayor error y comprende al error menor. Y se puede interpretar como tolerancia.

Fuente regulada por zener.- Para este circuito se puede otorgar el nivel de

tolerancia dependiendo a la tolerancia o error que se calculó al comparar lo teórico con lo práctico en la tensión de salida, por lo cual la tolerancia posiblemente otorgada por los datos obtenidos sea de 1,3%

b. ¿Qué aplicaciones prácticas tiene el diodo zener?

- una de las aplicaciones más útiles es la de regulación de voltaje, la cual se pudo evidenciar en esta práctica, ya que al tener un voltaje determinado el diodo independiente de la corriente idealmente, sirve para el diseño de muchos circuitos en los que se quiera regular un voltaje determinado.

Img 9. Diodo zener como regulador.

- Otra aplicación de gran importancia en la electrónica es el de protección de un circuito, este mecanismo funciona colocando un diodo de dicho voltaje en paralelo a un circuito determinado, de esta forma cuando el voltaje de la fuente se eleva por circunstancias externas, el diodo va a conducir mayor corriente, manteniendo el voltaje de circuito igual

recortándolo y de esta forma protegiéndolo de una descarga mu alta que dañe el circuito.

Img 10. Diodo zener como protector.

- También se usa usualmente cuando se utilizan fuentes AC, como recortador ya que se pone en paralelo a la fuente en serie con una resistencia y también a un circuito determinado, por lo cual cuando el voltaje en el circuito sube por encima del voltaje del diodo, este lo que hace es recortar este valor

Img 10. Diodo zener como recortador.

Img 11. Señal recortada por diodo zener

c. Para implementar un divisor de voltaje regulado, ¿De acuerdo a la figura cuál de las dos topologías presentes, resulta mejor? Considerando los siguientes escenarios y necesidades.


Img 12. Divisor de tensión a

Img 13. Divisor de tensión b

o La salida del divisor debe tener una tensión contante con solo un 5 % de tolerancia, si la tensión de entrada no es del todo constante y posee variaciones cercanas al 20 %.

Debido a que la tensión de entrada no permanece constante y tiene unas variaciones relativamente altas, sería más conveniente utilizar el prototipo b, ya que este contiene en su diseño un diodo zener, el cual define el voltaje de salida, y permite regular un voltaje determinado, en cambia al remplazar el zener por una resistencia, lo que se obtendrá será un voltaje de salida con un rizado producido por las variaciones de las señales de entrada y con el diodo estas variaciones se regularan.

o Economía

Para tener una mejor economía es más conveniente utilizar el prototipo a, ya que lo único que lo diferencia del prototipo b es la resistencia, y cuando refiere a la economía, las resistencias comúnmente son de un menor precio que los diodos, por lo cual este prototipo es más económico al momento de comprar los elementos necesarios para su montaje.

o Eficiencia energética (potencia)

El divisor de tensión “b” es muy adecuado en esta ocasión ya que a diferencia de la resistencia, el diodo puede ser usado como protector, para llegado el caso de una variación muy grande, la tensión de salida se mantenga constante y que si está conectado un circuito a esta señal, no reciba demasiada potencia que pueda quemar o dañar el circuito. Lo que hace el diodo es que si se presenta una variación muy grande, este genera mayor o menor corriente por él, para mantener un rango de potencia adecuada y segura para algún circuito exterior.

o Mejor funcionamiento independiente de la frecuencia de la señal de entrada.

Cuando el divisor de tensión varía la frecuencia de la señal de entrada, esta puede variar la tensión de salida, si no hay regulación. Esto ocurre porque el tiempo es importante cuando se tiene un condensador y no hay regulación ya que dependiendo del periodo y del tiempo característico de descarga del condensador, dependerá el voltaje de rizado que puede producir las variaciones en el voltaje de entrada, y que afecta el voltaje de salida. En este caso es mejo el divisor “b” ya que en este diseño, el diodo zener funciona como un regulador de voltaje, que regula las variaciones de la entrada independiente de su frecuencia de entrada.

VII. CONCLUCIONES

- Los diodos zener son de gran importancia en la electrónica actual, sirven como reguladores de tensión debido a caracterización, su comportamiento y relación tensión-corriente. Además estos diodos tienen múltiples aplicaciones más; como recortadores y protectores para un circuito determinado, cuando ocurren variaciones en el voltaje de entrada.

- La implementación de circuitos con diodos zener abarca una gran variedad de aplicaciones, no solo las que hemos trabajado en esta práctica si no que remplacen a otros dispositivos dependiendo de los objetivos.

- Los diodos zener regular con una gran precisión, ya que los niveles de tolerancia calculados fueron relativamente bajos con los establecidos en las guías de la práctica, por lo cual producen una regulación muy acorde a lo que predice la teoría.


VIII. Referencias

[1] A. S. Sedra, «Operación en la región de ruptura inversa. Diodos Zener,» de Circuitos Microelectrónicos, México, Oxford, University Press. Cuarta Edición, 1999, pp. 190,191.

[2] SERWAY, JEWETT, Física para ciencia e ingeniería, 7ma Edición, Vol2

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