Reporte de Práctica # 5

El diodo Zener como regulador de voltaje

OBJETIVO: El alumno diseñara circuitos un circuito con diodo Zener para regulación de voltaje ante variaciones en la carga y el voltaje de entrada.

DESARROLLO TEÓRICO

Marco teórico.

Para reducir al máximo la tensión de rizado de la salida y así conseguir una tensión de CC, lo más constante posibles, se utiliza un circuito regulador. Una forma de conseguir este tipo de circuito es mediante un diodo Zener.

Un diodo Zener funciona de forma parecida a un diodo rectificador normal, pero a diferencia de los diodos convencionales (que en polarización inversa dejan pasar una corriente despreciable) el diodo Zener está diseñado para que una vez que se ha alcanzado un voltaje de polarización inversa determinado la corriente aumente bruscamente sin provocar la destrucción del dispositivo. A este efecto se le conoce como efecto Zener y la tensión inversa a la que ocurre se denomina tensión Zener. Esta propiedad del diodo Zener de mantener un voltaje constante entre sus terminales cuando se ha alcanzado el efecto avalancha permite utilizarlo como un regulador de tensión.

Diseño

Se calcula el valor de la resistencia imitadora así como el de su potencia. Además se debe obtener la I Zmin real y la potencia nominal del Zener.

Regulador 8.2V, I L=100mA

Voltaje eficaz del transformador: 9VV max=√2 (9V )=12.728VV Cmax=V max−1.4V=12.728V−1.4V=11.328VV Cmin=V Cmax−V r=11.328V−0.5V=10.828VIRSmax=I L+ I Zmin=100mA+11mA=111mA

RS=V Cmin−V ZIRsmax

=10.828V−8.2V111mA

=23.676Ω

RS⇒ 15Ω

IRSmax=V Cmax−V Z

RS=11.328V−8.2V

15Ω=208.533mA

PRS=( IRSmax )2 RS=0.652W⇒1W

I Zmax=¿ IRSmax−I L=208.533mA−100mA=108.533mAPZ=I ZmaxV Z=0.889W⇒2W

C=I RSmaxT

V r=

(208.533mA ) (8.33ms )500mV

=2369.6μF⇒2200 μF∥220 μF

Regulador 8.2V, V i=15V , 100Ω≤RL≤470Ω

I Lmax=V Z

RLmin= 8.2V

100Ω=82mA

I Lmin=V Z

RLmax= 8.2V

470Ω=17.447mA

IRSmax=I Lmax+ I Lmin=82mA+11mA=93mA

RS=V ¿−V Z

IRSmax=15V−8.2V

93mA=73.118Ω

RS⇒ 68Ω

IRSmax=V ¿−V ZRS

=15V−8.2V68Ω

=100mA

PRS=( IRSmax )2 RS=0.68W⇒1W

I Zmax=IRSmax−I Lmin=100mA−17.447mA=82.553mAPZ=I ZmaxV Z=0.677W⇒1W

Regulador 8.2V, V i=15V−20V , 100Ω≤RL≤470Ω

I Lmax=V Z

RLmin= 8.2V

100Ω=82mA

I Lmin=V Z

RLmax= 8.2V

470Ω=17.447mA

IRSmax=I Lmax+ I Zmin=82mA+11mA=93mA

RS=V min−V ZIRSmax

=15V−8.2V93mA

=73.118Ω

RS=68Ω

IRSmax=V max−V Z

RS=20V−8.2V

68Ω=173.529mA

PRS=( IRSmax )2 RS=(173.529mA )2 (68Ω )=2.048W⇒5W

I Zmax=IRSmax−I Lmin=173.529mA−17.447mA=156.082mAPZ=I ZmaxV Z=(156.082mA ) (8.2V )=1.279W⇒ 2W

Prereporte

Simular en Multisim los circuitos rectificadores y graficas los resultados.

NOTA: Las simulaciones se incluyen en las hojas adjuntas.

DESARROLLO PRÁCTICO

Material y Equipo a utilizar:

Diodos rectificadores y diodo Zener con hojas de datos Resistencias Transformador Clavija Capacitores Protoboard Alambre para interconexiones y puntas de prueba Multímetro analógico o digital Osciloscopio de doble trazo

Procedimiento y resultados

A.1. Diseñe el circuito regulador mostrado en la figura 4.1. Recuerde que V rect>V Z y PZ>PL.

Figura 4.1 Regulador de voltaje con Zener

A.2.Con un Multímetro de CD mida el voltaje y calcule la corriente en la carga y registre los resultados.

Voltaje de CD Corriente de CD

8.18V 98.5mA

A.3.Con el osciloscopio con base de tiempo interna (Y/T) obtenga, mida, grafíque y acote detalladamente V O.

En la gráfica anterior puede apreciarse el efecto que produce conectar un circuito regulador basado en diodo Zener a un rectificador con filtro. Se consigue un voltaje significativamente más estable y con un rizado prácticamente insignificante. El filtro diseñado para esta aplicación debería producir un voltaje de rizo de unos 500mVpp, en la gráfica se nota un voltaje de 332mV, lo cual es bastante aceptable. Se esperaba un voltaje fijo de 8.2V y se obtuvo uno de 8.18 con un rizo insignificante, comparado con el rizo a la salida del filtro se nota que él se ha atenuado unas 15 veces.

A.4.Compare los resultados prácticos con los teóricos y los de simulación y anote sus observaciones.

Las mediciones obtenidas no difieren significativamente de los caculos y la simulaciones por lo que se llega a la conclusión que el regulador diseñado funciona correctamente.

A.5.Rediseñar el circuito anterior para un voltaje de entrada fijo de 15V y una resistencia de carga variable entre 100Ω y 470Ω.

Para este circuito se obtuvieron los siguientes resultados:

RL V CD IDC

100Ω 8.4V 82.5mA470Ω 8.43V 17.2mA

A.6.Rehacer el diseño para un voltaje de entrada variable entre 15V y 20V y una resistencia variable entre 100Ω y 470Ω.

Para este circuito se obtuvieron los siguientes resultados con un voltaje de entrada de 15V, aproximadamente:

RL V ¿ V CD IDC100Ω 15V 8.18V 78.8mA470Ω 14.8V 8.39V 17mA

Para este circuito se obtuvieron los siguientes resultados con un voltaje de entrada de 20V, aproximadamente:

RL V ¿ V CD IDC100Ω 20V 8.36V 81.2mA470Ω 19.8V 8.72V 17.7mA

CUESTIONARIO

1. ¿Qué ocurre en un diodo Zener una vez alcanzado el voltaje Zener?

R: A diferencia de un diodo rectificador el diodo Zener no se destruye, sino que mantiene un voltaje relativamente fijo entre sus terminales, dicho voltaje se conoce como voltaje Zener. Esto sucede siempre que la corriente a través del diodo no exceda un máximo predeterminado y el dispositivo no se caliente.

2. ¿Cómo se comporta un Zener en polarización directa?

R: Toma las características de un diodo rectificador normal.

3. ¿Por qué se ha de hacer que atraviese el Zener una I Zmin, trabajando como regulador de voltaje?

R: La I Zmin es la corriente mínima que debe circular por el Zener para que funciones correctamente como regulador de voltaje. Generalmente su valor es de un 10% de la corriente máxima que puede atravesar el diodo.

4. ¿Cuál seria la corriente que circularía por el diodo Zener del regulador anterior si la resistencia de carga fuera circuito abierto?

R: En este caso la resistencia limitadora y el diodo Zener quedarían conectados en serie y por el diodo circularía la corriente máxima que se calculo para RS. Este caso generalmente se toma en cuenta en el diseño del regulador porque si llega a ocurrir el Zener disipara más potencia de la calculada con la carga conectada y se corre el riesgo de quemarlo.

5. Se quiere alimentar una carga de 600mW a un voltaje de 10V y para ello se dispone de una fuente que entrega un voltaje de 15V con variaciones de ±3V . Diseñar el circuito que cumpla tal cometido, teniendo en cuenta que los diodos Zener disipan una potencia máxima de 500mW.

Regulador Zener 10V, IO=60mA , V INmax=18V , V INmin=12V

R=V2

W=

(10V )2

600mW=166.67Ω

I L=VR

= 10V166.67Ω

=60mA

IRSmax=I L+ I Zmin=60mA+10mA=70mA

RS=V min−V ZIRSmax

=12V−10V70mA

=28.571Ω⇒27Ω

IRSmax=V max−V Z

RS=18V−10V

27Ω=296.296mA

PRS=( IRSmax )2 RS=2.37W⇒5W

I Zmax=IRSmax−I L=296.296mA−60mA=236.296mA

PZ=I ZmaxV Z=2.363W

Dado que la potencia máxima que disipa un diodo Zener es de 500mW, se ponen 5

en paralelo para que cada uno absorba una parte de la corriente que entro caso

circularía por uno solo.

6. Repita el ejercicio anterior para 1.2W si P zener=1W .

Regulador Zener 10V, IO=120mA, V INmax=18V , V INmin=12V

R=V2

W=

(10V )2

1.2W=83.333Ω

I L=VR

= 10V833.333Ω

=120mA

IRSmax=I L+ I Zmin=120mA+10mA=1300mA

RS=V min−V ZIRSmax

=12V−10V130mA

=15.385Ω⇒15Ω

IRSmax=V max−V Z

RS=18V−10V

15Ω=533.333mA

PRS=( IRSmax )2 RS=4.267W⇒10W

I Zmax=IRSmax−I L=533.333mA−130mA=413.333mA

PZ=I ZmaxV Z=4.333W

Dado que la potencia máxima que disipa un diodo Zener es de 1W, la solución es

poner 5 en paralelo para que cada uno absorba una parte de la corriente que entro

caso circularía por uno solo.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Si los diodos Zener se utilizan en reguladores de voltaje tipo paralelo, son útiles dentro de parámetros muy limitados. Conforme aumenta el voltaje Zener V Z del dispositivo, la máxima corriente que puede disipar disminuye, lo cual lo hace inadecuado para fuentes que alimentan cargas que consumen mucha corriente. Además, si la resistencia de carga se desconecta del regulador, el diodo Zener absorbe toda la corriente calculada para RS y eso podría quemarlo.

BIBLIOGRAFÍA Y SOFTWARE

Multisim 11 Principio de electrónica, 6ta edición, Malvino. Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos y electrónicos, 8va edición, Boylestad.