¿Qué es un Diodo Zener?
Un diodo zener es un tipo de diodo que combina un semiconductor de tipo n con un semiconductor de tipo p y tiene la capacidad de mantener una tensión inversa relativamente baja y estable. También se le conoce como diodo de voltaje constante.
A diferencia de los diodos convencionales que presentan un efecto rectificador en el cual la conducción varía según la polaridad de la tensión aplicada en sus extremos, los diodos zener tienen características especiales que permiten un flujo rápido de corriente cuando se aplica una tensión inversa por encima de un valor umbral determinado, aunque esta sea relativamente baja.
Gracias a las propiedades de rectificación únicas de los diodos zener, es posible mantener una tensión constante en un circuito utilizando estos dispositivos.
Usos de los Diodos Zener
Los diodos zener se caracterizan por el hecho de que cuando se aplica una polarización inversa por encima de un determinado valor, permiten un rápido flujo de corriente y suprimen cualquier aumento posterior de la tensión. Por eso se utilizan para mantener constante la tensión de fuentes de alimentación inestables y para proteger los circuitos de sobretensiones.
Por ejemplo, un diodo zener se conecta en paralelo con una fuente de alimentación inestable para que tenga polarización inversa. Como resultado, si la tensión de la fuente de alimentación es superior al valor de ruptura del diodo zener, fluye una gran corriente a través del diodo zener, reduciendo así la tensión y manteniendo constante la tensión a través del circuito.
Principio del Diodo Zener
Las características únicas de los diodos zener se atribuyen a dos factores principales: el efecto zener y el efecto avalancha. El efecto zener se produce cuando se aplica una polarización inversa a la unión pn del diodo zener, y la capa de agotamiento se vuelve más delgada debido a la utilización de un semiconductor con una alta concentración de impurezas (una característica exclusiva de los diodos zener). Cuando la tensión inversa alcanza un umbral determinado, los electrones pueden saltar a través de la capa de agotamiento gracias al efecto túnel, lo que permite la conducción eléctrica.
Por otro lado, el efecto avalancha ocurre cuando los electrones, acelerados por la alta polarización inversa, colisionan con los átomos del semiconductor, liberando más portadores que, a su vez, chocan con más átomos del semiconductor, generando una cascada de electrones y un flujo de corriente significativo.
Cuando se supera el umbral de polarización, se produce el efecto avalancha, donde los electrones que atraviesan la capa de agotamiento debido al efecto zener generan una alta polarización inversa y una corriente considerable. Esto provoca una caída de tensión, lo que estabiliza la tensión en el circuito y protege contra sobretensiones externas, logrando así una fuente de alimentación estable. En la actualidad, los diodos zener se fabrican con una tensión de ruptura inversa controlada de manera precisa, dependiendo de la concentración de impurezas y del proceso de fabricación semiconductor.
En el mercado, se encuentran disponibles una amplia variedad de diodos zener con diferentes rangos de tensión, desde 1 V hasta varios cientos de voltios, y con tolerancias estrechas de ±0,05% para ciertos valores de tensión.
Más Información sobre los Diodos Zener
1. Conexión en Serie y en Paralelo de los Diodos Zener
Conexión en Serie
Al conectar diodos zener en serie, debe prestarse atención al valor de la corriente zener lz que circula. El valor de la corriente máxima total admisible corresponde a la corriente admisible menor de los diodos zener conectados. Por lo tanto, debe utilizarse dentro de la menor pérdida admisible.
Tenga en cuenta que si la corriente zener para la especificación de la tensión zener es diferente para cada diodo, el valor de la tensión será diferente de la tensión zener que desea encontrar. Esto se debe a que uno de los diodos zener no tendrá el valor de corriente zener especificado.
Conexión en Paralelo
Los diodos zener no pueden conectarse en paralelo, ya que esto aumenta las pérdidas admisibles de los diodos zener. Tenga en cuenta que cuando se conectan en paralelo, la corriente zener puede concentrarse en el que tenga la tensión zener más baja y superar las pérdidas admisibles.
2. Características del Diodo Zener
Características de Temperatura
La característica de temperatura significa que las características cambian con la temperatura. En el caso de los diodos zener, esta característica de temperatura cambia en función de la tensión zener. Esto se debe al “efecto túnel” y al “efecto avalancha”.
El coeficiente de temperatura del efecto túnel es negativo, mientras que el del efecto avalancha es positivo. Como resultado, la tensión zener de un voltaje zener bajo disminuirá a medida que aumente la temperatura ambiente. Por otro lado, los de alta tensión zener se caracterizan por un aumento de la tensión zener a medida que aumenta la temperatura ambiente.
En este caso, una tensión zener baja se refiere generalmente a una tensión inferior a 5 V, mientras que una tensión zener alta se refiere generalmente a una tensión superior a 5 V. Cuando el diodo zener está en torno a 5 V, los efectos túnel y avalancha actúan conjuntamente para provocar el fenómeno zener. En este punto, la característica de temperatura también es tan alta, lo que hace que la tensión zener sea menos sensible a la temperatura ambiente.
Ruido
En un diodo zener, cuanto mayor es la tensión zener, mayor es el ruido, y cuanto mayor es la corriente, menor es el ruido. Para evitar el ruido, deben conectarse en serie varios elementos con baja tensión zener. También se puede eliminar el ruido conectando un condensador en paralelo con el diodo zener.
3. Métodos de Selección de Diodos Zener [Según la Aplicación]
Aunque se han descrito las características y los usos de los diodos zener, existen otros dispositivos semiconductores de diodo. Esta sección proporciona información complementaria sobre las diferencias de otros diodos y sus características.
Un dispositivo que utiliza características inversas es el diodo TVS (supresor de tensión transitoria). Al igual que los diodos zener, también se utilizan para proporcionar protección contra sobretensiones, pero la diferencia es que, a diferencia de los diodos zener, los TVS están normalmente apagados y sólo se encienden cuando se aplica una sobretensión.
Los diodos de barrera Schottky, que utilizan una barrera Schottky de semiconductor metálico, tienen valores de tensión aún más bajos y suelen utilizarse para aplicaciones de rectificación con altas velocidades de conmutación; también hay diodos de conmutación para aplicaciones de conmutación rápida que constan de elementos semiconductores pn. También se utilizan diodos PIN con capacitancia terminal reducida para aplicaciones de RF (alta frecuencia).