Diodo Zener: regulación y límites

01 · Punto de partida

El regulador que funcionaba con la batería nueva

En el Tema 15 la tensión inversa máxima era un renglón de la hoja que se respetaba con margen: superarla destruía el diodo. Hay una familia de diodos en la que esa ruptura está controlada, ocurre a una tensión elegida en fábrica y se puede usar de manera permanente.

El Zener no fabrica tensión. Lo que hace es desviar por sí mismo la corriente que sobra, y de esa forma impide que la tensión suba por encima de su valor. Cuando no sobra nada, no tiene con qué trabajar y la salida cae.

La imagen que mejor lo describe es un vertedero: un tanque con un rebalse a cierta altura. Mientras entra más agua de la que se consume, el nivel se mantiene exactamente en el borde, y el exceso se va por el rebalse. Si el consumo supera lo que entra, el rebalse queda seco y el nivel baja. El resistor es el caño de entrada; el Zener, el rebalse.

Para un programador se parece a la capacidad reservada: el resistor fija un presupuesto de corriente que se paga siempre, se use o no. Lo que la carga no consume lo gasta el Zener. El sistema es estable mientras la demanda sea menor que el presupuesto, y es ineficiente por diseño.

• ¿Qué tiene de distinto un Zener respecto de un diodo común?
• ¿Cómo se reconoce, si por fuera es igual a un 1N4148?
• ¿Cómo se calcula el resistor, y hacia qué lado se redondea?
• ¿Cuándo deja de regular, y cuándo se quema?
• ¿Para qué sirve y para qué no?

02 · Identificar

Un diodo hecho para la ruptura

En directa, un Zener se comporta como cualquier diodo de silicio: conduce con unos 0,7 V. La diferencia está en inversa. Un diodo común bloquea hasta decenas o cientos de volts. El Zener bloquea hasta una tensión baja y precisa, la tensión Zener, y a partir de ahí conduce todo lo que haga falta sin que la tensión suba mucho más.

Esa rama vertical es la misma propiedad que complicaba al LED en el tema anterior, vista como ventaja. En el LED, una tensión casi fija para cualquier corriente obligaba a poner un resistor. En el Zener, esa tensión casi fija es exactamente lo que se busca.

Se conecta al revés

El cátodo, el lado de la franja, va al positivo. Es el único diodo del curso que trabaja polarizado en inversa a propósito.

La ruptura no lo daña

Lo que destruye a un diodo no es la ruptura sino el calor. Si un resistor limita la corriente y la potencia queda dentro del máximo, el Zener puede trabajar así indefinidamente.

Conectado al derecho

Es un diodo común: caen 0,7 V y no hay regulación. Si un circuito con Zener entrega 0,7 V en lugar de 5,1 V, está al revés.

Se fabrican por valores

Hay Zener de 2,4 V a más de 100 V, en una serie de valores parecida a la de los resistores: 3,3 · 3,9 · 4,7 · 5,1 · 5,6 · 6,2 · 6,8 · 7,5 · 8,2 · 9,1 · 10 · 12 · 15 V, entre otros.

03 · Identificar

Identificarlo y medirlo

Un Zener de 500 mW tiene la misma cápsula de vidrio anaranjado, con una franja negra, que un 1N4148. Uno de 1 W se parece a un 1N4007 más chico. A la vista no se distinguen de un diodo común: lo único que los identifica es el código impreso, que hay que leer con lupa.

La notación «5V1» es la misma que viste con los resistores en el Tema 7, donde «4k7» era 4,7 kΩ.

El multímetro no lo reconoce

En modo diodo, un Zener marca unos 0,7 V en un sentido y «OL» en el otro, igual que un 1N4148. El multímetro prueba con menos de 3 V, que no alcanzan para llegar a la ruptura. Para conocer su tensión hay que hacerlo trabajar:

1. 1
   Armá el circuito de prueba.

   Una fuente de tensión mayor que la que esperás medir (una batería de 9 V sirve para valores de hasta unos 8 V), un resistor de 1 kΩ en serie y el Zener, con la franja hacia el positivo.

2. 2
   Predecí.

   El resistor limita la corriente a pocos miliamperes, sea cual sea el diodo: no hay riesgo. Si es un Zener de 5,1 V, vas a leer cerca de 5,1 V.

3. 3
   Medí la tensión entre los terminales del diodo.

   Esa lectura es su tensión Zener, a la corriente de la prueba.

4. 4
   Interpretá.

   Usá la tabla que sigue.

04 · Características

Lo que dice la hoja

La ventana de corriente

Un Zener regula entre una corriente mínima, de alrededor de 1 mA, y una máxima, que fija su potencia. Para uno de 5,1 V y 500 mW esa ventana va de 1 a 98 mA; en la práctica se trabaja entre 5 mA y la mitad del máximo.

La impedancia dinámica

La rama de trabajo no es perfectamente vertical. Con 10 Ω de impedancia dinámica, un cambio de 10 mA en la corriente del Zener mueve la tensión 0,1 V. Es lo que hace que la salida no sea exactamente fija.

Los de baja tensión regulan peor

Los Zener de menos de unos 4,5 V tienen la curva mucho más redondeada. Uno de 3,3 V puede variar varias décimas de volt entre vacío y plena carga. Los de 5 a 7 V son los mejores, y los de 5,1 a 5,6 V casi no cambian con la temperatura.

La potencia se reduce con la temperatura

Como en el Tema 3, los 500 mW valen a 25 °C. En una caja cerrada, conviene no pasar de la mitad.

05 · Aplicación

El regulador de dos piezas

El circuito tiene un resistor en serie con la fuente y el Zener en paralelo con la carga. El punto de unión es la salida.

El funcionamiento se entiende siguiendo las corrientes:

1. 1
   El resistor fija la corriente total.

   A sus extremos tiene la tensión de la fuente de un lado y la del Zener del otro. Con 9 V, 5,1 V y 220 Ω: (9 − 5,1) ÷ 220 = 17,7 mA. Esa corriente circula siempre, haya carga o no.

2. 2
   La carga toma lo que necesita.

   El sensor, 10 mA.

3. 3
   El Zener se lleva el resto.

   17,7 − 10 = 7,7 mA. Si la carga pide menos, el Zener conduce más; si pide más, conduce menos. Así compensa.

4. 4
   Si el resto llega a cero, se terminó la regulación.

   Cuando la carga pide tanto como el resistor deja pasar, al Zener no le queda nada. A partir de ahí el circuito es un simple resistor en serie con la carga, y la salida cae.

Dos lecturas de esa tabla. Mientras regula, la salida no es perfectamente fija: baja de 5,27 a 5,06 V, unas dos décimas, por la impedancia dinámica. Y cuando deja de regular no avisa: la tensión simplemente empieza a caer, y un circuito alimentado con 4,8 V en lugar de 5 puede seguir funcionando a medias.

06 · Selección

Diseñar para el peor caso

El diseño tiene una fórmula y dos verificaciones, y cada una mira un extremo distinto.

1. 1
   Calculá el resistor para el peor momento de la regulación.

   Fuente en su mínimo, carga en su máximo, y una reserva de 5 mA para el Zener. Con una batería de 9 V que se va a usar hasta 7,5 V: (7,5 − 5,1) ÷ (0,010 + 0,005) = 160 Ω.

2. 2
   Redondeá hacia abajo.

   Es al revés que con el LED. Allá el resistor protegía y se redondeaba hacia arriba. Acá tiene que garantizar corriente: un valor mayor dejaría al Zener sin reserva. 160 Ω → 150 Ω.

3. 3
   Verificá el Zener en su peor momento.

   Fuente en su máximo y carga desconectada: toda la corriente pasa por él. Con la batería nueva, de 9,5 V: (9,5 − 5,1) ÷ 150 = 29 mA, y 5,1 × 0,029 = 150 mW. Para un Zener de 500 mW, sobra.

4. 4
   Verificá el resistor.

   Su máximo es con la fuente en su máximo: 4,4 V × 29 mA = 129 mW. Alcanza uno de 1/4 W.

Ese precio es la característica central del regulador Zener. Con la batería en 9 V, el circuito corregido toma 25 mA de la batería para entregarle 10 mA al sensor. De cada 100 mW que salen de la batería, a la carga llegan unos 23. El resto se convierte en calor en el resistor y en el Zener, y se gasta igual aunque el sensor esté desconectado.

07 · Selección

Límites y usos

Los dos extremos tiran en direcciones opuestas: para regular con cargas grandes hace falta un resistor chico, y un resistor chico castiga al Zener cuando la carga se desconecta. Por eso el circuito solo cierra bien con cargas chicas.

Los otros trabajos del Zener

Referencia de tensión

Su uso más duradero. Un circuito que necesita saber «¿esta tensión es mayor que 5,1 V?» usa un Zener con muy poca corriente como patrón. No alimenta nada: solo marca un valor.

Limitar una entrada

Un resistor en serie y un Zener a masa impiden que una señal supere la tensión del Zener. Mientras la señal es menor, el Zener no conduce y no molesta; cuando la supera, la recorta. Es la protección típica de una entrada que puede recibir más tensión de la que tolera.

Proteger contra sobretensión

En paralelo con la alimentación, después de un fusible: si la tensión sube demasiado, el Zener conduce con fuerza y hace actuar al fusible. Es la misma idea que el diodo en paralelo del Tema 16.

Los supresores de transitorios

Son parientes del Zener hechos para absorber picos breves y muy intensos, como los de la bobina del Tema 14. Se eligen por la energía que soportan y no por su precisión.

08 · Simulador

Banco del regulador Zener

Elegí la fuente, el Zener, el resistor y la carga. El simulador resuelve el circuito y muestra cómo se reparte la corriente.

• A la izquierda, el circuito con la tensión de salida y las tres corrientes.
• A la derecha, la curva de regulación: la salida para todas las cargas posibles, o para todas las tensiones de fuente, con un punto en el estado actual.
• La carga se indica por la corriente que consume a la tensión nominal del Zener. En 0 mA está desconectada.

Recorrido guiado (8 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena con la batería nueva: 9 V, Zener de 5,1 V, 220 Ω y 10 mA de carga. La salida es de 5,14 V, y los 17,5 mA del resistor se reparten en 10 para la carga y 7,5 para el Zener.

2. 2
   Llevá la carga a 0 y subila despacio hasta 40 mA.

   La corriente del Zener baja en la misma medida en que sube la de la carga. Entre 18 y 20 mA llega a cero: la curva dobla y la salida empieza a caer.

3. 3
   Volvé a 10 mA, pasá a «Curva al variar la fuente» y bajá la fuente hasta 6,5 V.

   Es la batería gastándose. Por debajo de 7,5 V el regulador se queda sin reserva, y a 6,5 V entrega 4,5 V: la lectura de la escena.

4. 4
   Con la fuente en 7,5 V, presioná «Calcular el resistor».

   Elige 150 Ω: el diseño para el peor caso. Ahora subí la fuente a 9,5 V y quitá la carga. El Zener disipa unos 150 mW: lejos de su máximo.

5. 5
   Fuente en 15 V, resistor de 47 Ω, sin carga.

   El Zener tendría que disipar más de 1 W, el doble de lo que soporta. Es lo que pasa cuando un regulador diseñado para una carga grande se queda sin ella.

6. 6
   Reiniciá, elegí el Zener de 3,3 V, fuente de 5 V y 100 Ω, y mové la carga de 0 a 10 mA.

   La salida va de 3,67 a 3,36 V: tres décimas de variación. Un Zener de baja tensión regula mucho peor que uno de 5,1 V.

7. 7
   Elegí el Zener de 12 V con una fuente de 9 V.

   Nunca entra en ruptura. La salida es la de un resistor en serie con la carga, sin regulación alguna.

Preguntas para pensar

1. En el paso 2, la corriente por el resistor casi no cambia mientras el Zener regula. ¿Por qué?
2. ¿Por qué el Zener sufre más cuando la carga está desconectada?
3. En el paso 4, el resistor de 150 Ω regula en todo el rango de la batería. ¿Qué se pagó a cambio?

09 · El Zener en código

Diseño, regulación y rendimiento

El diseño completo, con sus dos extremos

La función calcula el resistor para el peor caso de regulación, lo redondea hacia abajo y verifica el peor caso de potencia.

E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]


def comercial_inferior(ohm):
    candidatos = [base * 10 ** decada for decada in range(5) for base in E12]
    return max(v for v in candidatos if v <= ohm)


def disenar(v_min, v_max, v_zener, carga_ma, reserva_ma=5, p_zener=0.5):
    print(f"De {v_min}-{v_max} V a {v_zener} V, carga de {carga_ma} mA")
    if v_min <= v_zener:
        print("  Imposible: la fuente mínima no supera la tensión del Zener")
        return None
    r = comercial_inferior((v_min - v_zener) / ((carga_ma + reserva_ma) / 1000))
    i_peor = (v_min - v_zener) / r * 1000
    i_vacio = (v_max - v_zener) / r * 1000
    p_z = v_zener * i_vacio / 1000
    p_r = (v_max - v_zener) * i_vacio / 1000
    print(f"  Resistor: {r} ohm")
    print(f"  Peor caso de regulación: al Zener le quedan {i_peor - carga_ma:.1f} mA")
    print(f"  Peor caso de potencia: Zener {p_z * 1000:.0f} mW, resistor {p_r * 1000:.0f} mW")
    watts = min(w for w in (0.25, 0.5, 1, 2, 5) if p_r <= 0.7 * w)
    print(f"  El resistor tiene que ser de {watts:g} W o más")
    if p_z > p_zener:
        print(f"  NO CIERRA: el Zener supera sus {p_zener * 1000:.0f} mW cuando no hay carga")
    elif p_z > p_zener / 2:
        print("  Funciona, con el Zener caliente: conviene uno de más potencia")
    else:
        print("  Diseño correcto")
    return r


disenar(7.5, 9.5, 5.1, 10)
disenar(11, 13, 5.1, 20)
disenar(15, 15, 5.1, 80)

Probá disenar(4.75, 5.25, 3.3, 10), y después disenar(4.75, 5.25, 5.1, 1): ¿qué pasa cuando la fuente está muy cerca de la tensión del Zener?

La curva de regulación

El mismo modelo que usa el simulador: la tensión del Zener sube levemente con la corriente. Para cada carga se busca la tensión de salida en la que las corrientes cierran.

from math import log

V_ZENER, IMPEDANCIA, CODO = 5.1, 10, 0.04      # un Zener de 5,1 V típico


def tension_zener(amperes):
    return V_ZENER + IMPEDANCIA * (amperes - 0.005) + CODO * log(amperes / 0.005)


def corriente_zener(volts):
    bajo, alto = 1e-9, 0.5
    for _ in range(60):
        medio = (bajo + alto) / 2
        bajo, alto = (bajo, medio) if tension_zener(medio) > volts else (medio, alto)
    return 0 if bajo < 2e-9 else bajo


def salida(v_fuente, r, carga_ma):
    conductancia = (carga_ma / 1000) / V_ZENER          # la carga, como resistencia
    bajo, alto = 0.0, v_fuente
    for _ in range(60):
        medio = (bajo + alto) / 2
        piden = medio * conductancia + corriente_zener(medio)
        bajo, alto = (bajo, medio) if piden > (v_fuente - medio) / r else (medio, alto)
    return bajo, corriente_zener(bajo) * 1000


print("Fuente de 9 V y 220 ohm:")
for carga in (0, 5, 10, 15, 20, 30):
    volts, i_zener = salida(9, 220, carga)
    estado = "regula" if i_zener >= 1 else "NO regula"
    print(f"  carga {carga:>2} mA -> {volts:.2f} V, Zener {i_zener:4.1f} mA  {estado}")

print("Carga de 10 mA, batería descargándose:")
for fuente in (9.5, 9, 8.5, 8, 7.5, 7, 6.5):
    print(f"  {fuente:>4} V  ->  220 ohm: {salida(fuente, 220, 10)[0]:.2f} V   "
          f"150 ohm: {salida(fuente, 150, 10)[0]:.2f} V")

Cambiá IMPEDANCIA a 60, el valor de un Zener de peor calidad, y mirá cuánto se mueve la salida entre 0 y 15 mA.

Cuánto se pierde

def rendimiento(v_fuente, v_zener, r, carga_ma):
    total_ma = (v_fuente - v_zener) / r * 1000
    util = v_zener * carga_ma
    gastado = v_fuente * total_ma
    return total_ma, util, gastado, 100 * util / gastado


print("9 V a 5,1 V con 150 ohm (la corriente total no depende de la carga):")
for carga in (0, 2, 5, 10, 20):
    total, util, gastado, pct = rendimiento(9, 5.1, 150, carga)
    print(f"  carga {carga:>2} mA: la fuente entrega {total:.0f} mA ({gastado:.0f} mW), "
          f"llegan {util:.0f} mW -> {pct:.0f} %")

horas_zener = 500 / rendimiento(9, 5.1, 150, 10)[0]
print(f"Una batería de 500 mAh dura unas {horas_zener:.0f} horas con este regulador")
print(f"y duraría unas {500 / 10:.0f} horas si solo entregara los 10 mA de la carga")

La cuenta supone que la carga no supera lo que el resistor deja pasar (acá, 26 mA). Probá con 20 mA: es el mejor rendimiento posible de este diseño, y sigue siendo bajo.

10 · Comprensión

Confusiones frecuentes

11 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: un diseño completo

Fuente fija de 12 V, Zener de 5,1 V y 500 mW, carga de 20 mA. Con 5 mA de reserva, calculá el resistor, la potencia del Zener sin carga y la del resistor. Dictaminá.

Ejercicio 2: carga máxima

Un regulador ya armado tiene una fuente de 9 V, un Zener de 5,1 V y un resistor de 220 Ω. ¿Cuál es la carga máxima manteniendo 5 mA de reserva? ¿Y la carga a la que deja de regular por completo?

Ejercicio 3: hasta dónde sirve la batería

Con el mismo circuito y una carga de 10 mA, ¿hasta qué tensión de batería se mantiene la reserva de 5 mA? ¿Y hasta cuál queda al menos 1 mA en el Zener?

Ejercicio 4: el que no cierra

Te piden un regulador de 15 V a 5,1 V para una carga de 80 mA, con un Zener de 500 mW. Hacé las cuentas y explicá por qué no es una buena idea.

Ejercicio 5: dos Zener, en el simulador

Compará cuánto varía la salida entre 0 y 10 mA de carga en dos reguladores: Zener de 5,1 V con 9 V y 220 Ω, y Zener de 3,3 V con 5 V y 100 Ω.

Ejercicio 6: identificá un Zener

Con las piezas reales. Tomá un diodo de vidrio del que no sepas el código, o un Zener conocido, y aplicá el método de la sección 3 con una batería de 9 V y un resistor de 1 kΩ. Medí también la tensión sobre el resistor.

12 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 19?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir hacia dónde va la franja de un Zener en un regulador.
• Leer la tensión de un BZX55C4V7.
• Explicar cómo medir la tensión de un Zener sin código.
• Calcular el resistor para pasar de 12 V a 5,1 V con 10 mA de carga.
• Explicar por qué ese resistor se redondea hacia abajo.
• Decir en qué condición el Zener disipa su máximo.
• Explicar por qué el regulador de la escena falló con la batería en 6,5 V.

El regulador Zener tiene un problema de fondo: para controlar la tensión tiene que conducir él mismo toda la corriente que sobra. Lo que falta es un componente que, con una corriente pequeña, gobierne una mucho mayor. En el próximo tema, el transistor BJT: NPN, PNP, ganancia y zonas de trabajo.