Los diodos Zener ganaron la feria de ciencias de la secundaria y seguimos teniendo éxito

Los diseñadores de circuitos utilizaron los diodos Zener como referencias de voltaje y reguladores de voltaje durante más de medio siglo. Utilicé los diodos Zener por primera vez para el diseño de una fuente de alimentación en la escuela secundaria como parte de un proyecto de la feria de ciencias del último año en 1970. El proyecto se trataba de un sistema óptico de comunicaciones de fibra óptica basado en LED infrarrojos, fototransistores y cables de fibra óptica de plástico. Estos eran los comienzos de las comunicaciones de fibra óptica y de los dispositivos optoelectrónicos, por lo que el proyecto de la feria de ciencias ganó un premio.

El diseño del sistema de comunicaciones óptico empleó una lógica digital de RTL (nivel de transferencia de registro), pero no como el "Nivel de transferencia de registro" actual. El RTL actual es para diseñar la lógica en ASIC (productos estándares específicos para los clientes), SoC (sistemas en chip), FPGA (arreglos programables de puertas en campo) y CPLD (dispositivos lógicos programables complejos). A mediados del siglo XX, "RTL" era la abreviación de "Lógica de resistor-transistor", la primera familia real de IC (circuitos integrados) lógicos.

RTL (la familia lógica) se desarrolló originalmente para aplicaciones aeroespaciales y de misiles estadounidenses. Se seleccionó como la mejor familia lógica para crear la Computadora de orientación de Apollo (AGC), que controlaba los principales motores y propulsores de orientación de la aeronave con un sistema de control electrónico. El sistema de control por cable de AGC y Apollo fue el primer sistema sin respaldo mecánico ni hidráulico. Desde 1968 hasta 1972, el AGC llevó a cabo las misiones a la luna de Apollo 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 y 17 y regresó sin incidentes a la tierra. Por supuesto, las misiones de Apollo 8 y 10 en realidad no aterrizaron en la luna, pero, de hecho, recorrieron esa distancia y regresaron sin incidentes.

El diseño de AGC utilizó miles de IC de RTL, y sentí una pequeña emoción al utilizar los mismos componentes electrónicos de vanguardia en el proyecto de la feria de ciencias. Después de todo, el programa Apollo todavía seguía bastante activo en el momento en que diseñé el proyecto.

Aquellos IC de RTL antiguos necesitaban una fuente de alimentación regulada de 3.6 voltios. En la actualidad, un regulador ajustable de tres terminales LM317 de Texas Instruments podría ser la primera opción para un diseño de fuente de alimentación lineal simple, pero los reguladores de tres terminales todavía no eran tan comunes en ese entonces, ya que se habían inventado tan solo un año antes y el LM317 no se diseñaría hasta 1976. La primera opción para un circuito de fuente de alimentación lineal regulada en ese momento estaba basada en un diodo Zener, que fue lo que utilicé para el proyecto de la feria de ciencias. Mi diseño utilizó múltiples diodos Zener del semiconductor de Motorola, junto con transistores de gran paso para crear tres voltajes de alimentación regulada, incluida una alimentación de 3.6 voltios para los CI de RTL. ON Semiconductor heredó todos los diodos Zener del Semiconductor de Motorola y todavía los vende, además de muchos diodos nuevos provistos en los paquetes de montaje en superficie. ON Semiconductor también heredó el antiguo manual del diodo Zener del semiconductor de Motorola, que se encuentra disponible en formato de PDF (consulte la Referencia 1).

Conceptos básicos sobre los diodos Zener

Los diodos Zener funcionan de la misma manera que otro diodo cuando reciben una polarización directa. Es la polarización inversa lo que es diferente. Para bajos voltajes de polarización inversa, los diodos Zener no conducen la corriente. Es justo lo que se esperaría de un diodo semiconductor regular. Sin embargo, una vez que el voltaje de polarización inversa del diodo Zener alcanza el voltaje de Zener o de ruptura, el diodo “se rompe” y la corriente fluye.

La curva de corriente/voltaje de un diodo Zener (consulte la Figura 1) muestra que el voltaje en el dispositivo en la región de Zener de polarización inversa es casi constante, independientemente de la corriente de polarización inversa, tras alcanzar la corriente mínima necesaria de Zener (IZT). En otras palabras, un diodo Zener proporciona un voltaje de referencia estable y conocido para un amplio rango de condiciones de polarización inversa.

Figura 1: La curva de corriente/voltaje de un diodo Zener exhibe un comportamiento normal del diodo en el voltaje de polarización directa (la mitad derecha de la curva), pero un comportamiento de ruptura en el voltaje de polarización inversa igual o mayor que el voltaje de Zener (mitad izquierda de la curva). (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Incluso hoy, casi 50 años después de que los utilicé en el proyecto de la feria de ciencias, los diodos Zener funcionan igual de bien como referencias de voltaje, como reguladores pequeños y de bajo costo para fuentes de alimentación de baja corriente, e incluso como abrazaderas de voltaje de señal cuando se conectan en oposición.

Los diodos Zener reciben ese nombre por Clarence Melvin Zener, quien fue el primero que predijo el efecto de la ruptura de voltaje, que luego recibiría su nombre en un informe publicado en 1934. Aquello sucedió mucho antes de que William Shockley se diera cuenta del efecto previsto en los primeros diodos semiconductores elaborados en Bell Labs alrededor de 1950. Shockley denominó "diodos Zener" a estos dispositivos en honor a la persona que predijo el efecto de ruptura.

Es posible darse cuenta de que es un diodo Zener en un esquema por las dos alas de la barra del cátodo del símbolo, que se muestra en la Figura 2. Puede pensar en la barra del cátodo modificada en el símbolo esquemático del diodo Zener como una representación abstracta de la curva de característica de ruptura del diodo o como una "Z" estilizada de "Zener". (Así es como yo lo pienso, de todos modos).

Figura 2: Según la perspectiva, la barra de cátodo del símbolo esquemático del diodo Zener representa la característica de ruptura del dispositivo o parece una "Z" estilizada de "Zener". (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

La característica importante de un diodo Zener es que mantiene un voltaje prácticamente constante cuando se polariza en sentido inverso y alimenta con suficiente corriente (generalmente, unos pocos miliamperios) para iniciar y mantener el efecto de Zener. El voltaje prácticamente constante funciona como un voltaje de referencia estable.

Los diodos Zener están disponibles en un gran número de voltajes fijos. Si observamos rápidamente la página del diodo Zener de Digi-Key, se muestra una lista con más de 2,988 diodos Zener disponibles (todos de ON Semiconductor) con más de 150 voltajes de ruptura de Zener diferentes que varían de 1.2 a 200 voltios.

Técnicamente, cualquier diodo Zener con un voltaje de ruptura en sentido inverso de más de alrededor de 5.5 voltios es un diodo de avalancha, pero tanto los diodos Zener como de avalancha exhiben un efecto de ruptura en sentido inverso similar que permite que estos dispositivos funcionen como voltajes de referencia, por lo que se agrupan bajo la designación de "Zener".

El rango de voltajes de ruptura del diodo Zener es algo abrumador. Están disponibles esencialmente en pasos de 0.1 voltios de 1.2 a 7 voltios, por lo que hay menos posibilidades de que sea necesario un ajuste al utilizar un diodo Zener para generar un voltaje de referencia específico.

Uso de diodos Zener

La clave de utilizar un diodo Zener como referencia de voltaje o regulador de voltaje es garantizar que reciba suficiente corriente, en general de unos pocos a muchos miliamperios, con el fin de mantener el efecto de Zener se polariza en sentido inverso. Esto se realiza con un resistor de serie de tamaño adecuado (Figura 3). La potencia y el valor del resistor dependerán de los valores de Vin y Vref.

Figura 3: Un simple regulador o referencia de voltaje de Zener emplea un resistor adecuado para proporcionar al diodo Zener suficiente corriente en el efecto de Zener. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El esquema funciona como referencia de voltaje de Zener o regulador de voltaje de Zener para fuentes de alimentación de baja corriente. Un diodo Zener puede funcionar como un regulador de bajo costo, especialmente para cargas constantes de baja corriente. Si la carga varía, la corriente también variará a través del diodo Zener. El diodo Zener debe absorber toda la corriente que la carga no utilice. Esto es importante porque el diodo Zener debe poder manejar la corriente completa mediante el resistor de serie si la corriente de carga cae a cero.

La potencia máxima que el diodo Zener debe disipar es la corriente que atraviesa del diodo Zener multiplicada por el voltaje de Zener. Para cargas de corriente constante, debe medirse el resistor de serie a fin de que únicamente fluya la corriente suficiente para iniciar y mantener el efecto de ruptura de Zener a través del diodo. El resto de la corriente debe fluir a través de la carga. Si la corriente de carga puede caer a cero, la corriente que atraviesa el diodo Zener a una carga de cero multiplicada por el voltaje de Zener le brinda la potencia mínima absoluta que el diodo Zener debe poder disipar. Como de costumbre, brinde a la potencia de salida del diodo Zener un margen abundante para evitar el sobrecalentamiento en aplicaciones donde la corriente de carga pueda variar.

Para obtener más información sobre la aplicación y las ecuaciones necesarias para calcular el valor adecuado de la resistencia para una cierta aplicación del diodo Zener, consulte el manual del diodo Zener de ON Semiconductor mencionado anteriormente.

La corriente necesaria para mantener el efecto de ruptura de Zener es del orden de los miliamperios, lo que, posiblemente, es un problema para los circuitos de baja corriente. Las referencias de voltaje de dos terminales (también denominadas referencias de banda prohibida) con corrientes de funcionamiento muy pequeñas ahora están disponibles en dichas aplicaciones.

Por ejemplo, Texas Instruments LM4040 Referencia de voltaje de derivación con micropotencia de precisión cuenta con una mínima corriente catódica de menos de 80 microamperios (µA) y está disponible con voltajes de referencia fija de 2.048, 2.5, 3, 4.096, 5, 8.192, y 10 voltios, así como tolerancias de voltaje ajustadas en fábrica que varían de 0.1 a 1 por ciento.

En uso, el diseño del circuito para estas referencias de voltaje es la misma que para el diodo Zener, que se muestra en el esquema de la Figura 3. Los dos terminales activos en la referencia de voltaje de LM4040 se denominan ánodo y cátodo, como si el dispositivo fuera un diodo. Sin embargo, LM4040 claramente no es un diodo, como se puede ver en el esquema (Figura 4).

Figura 4: El esquema interno de la referencia de voltaje de un LM4040 muestra que es mucho más que un simple diodo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Conclusión

El hecho de que un dispositivo haya existido por un tiempo no significa que no siga siendo útil. Los proveedores de dispositivos han realizado diodos Zener durante más de seis décadas y siguen teniendo éxito, haciendo el mismo trabajo que siempre han realizado. Yo he cambiado un poco, así como mis roles, pero también sigo teniendo éxito (afortunadamente).

Si necesita una referencia de voltaje que requiera menos corriente para funcionar, también asegúrese de echar un vistazo a las referencias de voltaje de dos terminales.

 

Referencias:

1: ON Semiconductor. Consideraciones de diseño y teoría de Zener

Información sobre el autor

Image of Steve Leibson Steve Leibson fue ingeniero de sistemas para HP y Cadnetix, editor en jefe de EDN y Microprocessor Report, blogger tecnológico de Xilinx y Cadence (entre otros), y se desempeñó como experto en tecnología en dos episodios de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Ha ayudado a los ingenieros de diseño a desarrollar sistemas mejores, más rápidos y más confiables durante 33 años.
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