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B3 · Diodos

El diodo Zener: una salida estable desde una entrada inestable

Si empujas un diodo a fondo en inversa, se rompe hacia atrás mientras sujeta la tensión. En esta unidad subes tú mismo la tensión de entrada y compruebas a partir de qué punto la salida deja de seguirla y se queda en un valor.

Donde la salida se detiene al subir la entrada

El eje horizontal es la tensión de entrada, el vertical la tensión de salida, y la diagonal tenue es la línea en que la salida iguala a la entrada. Al subir la entrada, la salida sube primero por esa diagonal, pero al pasar Vz, marcada con la línea discontinua, el Zener entra en ruptura y la salida se aplana. Desliza el punto de trabajo para encontrar dónde se detiene la salida.

Voltaje de entrada VinVin = 2.0 V
Voltaje de salida Vout
Vout = Vin
Todavía por debajo de la tensión de ruptura. El Zener está casi bloqueado, así que la salida sigue a la entrada tal cual.
La salida sigue a la entrada

Ruptura inversa, a propósito

En B1 casi no circulaba corriente por un diodo en inversa. Sin embargo, si se sube lo suficiente la tensión inversa, en cierto punto empieza a circular de golpe una corriente grande. Un diodo común puede estropearse aquí, pero un diodo Zener está hecho para funcionar con seguridad justo en esa zona de ruptura: es un diodo que se usa al revés a propósito. Los de tensión baja se rompen sobre todo por efecto Zener y los de tensión alta sobre todo por avalancha, pero se usan igual.

Por qué el voltaje queda fijo

En la zona de ruptura la curva inversa se levanta casi vertical. Sea la corriente pequeña o grande, la tensión entre sus bornes apenas se mueve de alrededor de la tensión de ruptura Vz, así que el Zener parece una fuente de tensión que entrega una tensión constante sin importar la corriente que lo atraviesa. La resistencia dinámica rz, que viene de la pendiente mínima de la curva, fija la pequeña variación que queda.

El regulador: un circuito en derivación

Se pone una sola resistencia en serie entre la entrada y la carga y se conecta el Zener en paralelo con la carga. La resistencia en serie absorbe la diferencia entre la entrada y Vz. Aunque la entrada oscile o la carga cambie, la corriente que admite el Zener sube y baja por sí sola y la salida queda sujeta en Vz; es el circuito de tensión constante más sencillo y se usa allí donde haga falta una tensión de referencia. Eso sí, siempre debe circular una corriente mínima que mantenga al Zener en ruptura, así que si la carga toma demasiada corriente la salida cae por debajo de Vz.

ObservaVout = Vz (V > Vz)
En ruptura la salida queda fija en Vz.
EligeIR = (Vin - Vz) / ?
La corriente del resistor serie es la diferencia entrada-menos-Vz sobre R.
CompletaIR = Iz + ?
La corriente de la resistencia se reparte entre el Zener y la carga.
Por tu cuentaΔVout ≈ rz ?
La diminuta variación de salida restante la fija la pequeña resistencia dinámica.

De vuelta a la primera pantalla

Mientras la entrada era baja, la salida subía tal cual por la diagonal tenue. Pero en el instante en que pasó la tensión de ruptura, la curva se dobló y se aplanó, y desde entonces, por mucho que subieras la entrada, la salida se quedó en Vz. Esa línea plana es la tensión constante. Gracias a la curva de ruptura casi vertical, la tensión apenas cambia aunque la corriente cambie mucho, y la resistencia en serie absorbe la variación de la entrada para que a la carga solo llegue un Vz estable. Así es como la zona inversa de B1 se convierte en la herramienta más sencilla para una tensión de referencia.

Un diodo Zener es un diodo que se hace trabajar a propósito en ruptura inversa. Pasada la tensión de ruptura Vz, la tensión entre sus bornes se mantiene casi constante en Vz aunque la corriente cambie mucho. Colocado en paralelo con una carga tras una resistencia en serie (un regulador en derivación), da una tensión constante cuya salida queda fija en Vz aunque la entrada oscile. La pequeña variación que queda la fija la pequeña resistencia dinámica rz.

Lo que sigue

Hasta aquí has visto lo que puede hacer un solo diodo. En la siguiente unidad unes cuatro diodos como un puente para ver la rectificación de onda completa, que da la vuelta incluso a los semiciclos negativos de la alterna. Después, un condensador suaviza esa pulsación irregular hasta acercarla a una continua estable. Junta la rectificación de B1 con la regulación de B3 y queda completa la etapa de entrada de una fuente de alimentación.