Circuitos de electrónica básica: Circuito estabilizador de tensión con diodo zener

Los diodos Zener se denominan diodos reguladores o estabilizadores de tensión debido a que mantienen constante la tensión entre sus terminales, incluso aunque varíe la tensión de la fuente o la corriente que circule por ellos. Por eso se utilizan en las fuentes de alimentación, para regular o estabilizar la tensión a pesar de posibles cambios en la corriente o en la tensión.

Para que esto ocurra deben trabajar en polarización inversa y en unos rangos de tensión y de corriente adecuados (zona de ruptura). Por eso, la tensión nominal del diodo debe ser menor que la tensión de la fuente de alimentación y se debe usar una resistencia en serie con el Zener (Rs) que limite la corriente para que el dispositivo no se queme.

A continuación diseñaremos un circuito regulador o estabilizador con un diodo Zener para alimentar 2 diodos LED dispuestos en serie, con una tensión relativamente constante, como se muestra en el siguiente esquema de circuito:

Para calcular los valores del circuito empezamos revisando las características técnicas de la carga, los LEDs:

Elegiremos 2 LEDs de color rojo de 5 mm, que vemos que precisan entre 2,2 y 2,6 voltios de alimentación cada uno. Nos decidiremos por los 2,2 voltios, que es el valor más cercano al del LED "orange" de nuestro simulador:

Al estar conectados en serie, vamos a determinar que los 2 LEDs rojos "consumirán" unos 4,4 voltios en total.

Además, tendremos que añadir una resistencia (Rd) para limitar la corriente por los diodos a 20 mA.

Del kit de diodos zener de 0,5 watios, elegiremos el valor 5,6 v (5V6), para cubrir los 4,4 voltios de los 2 LEDs en serie y el resto (1,2 v) para la resistencia Rd:

Si Rd tiene que "consumir" 1,2 v y limitar la corriente a 20 mA, por la ley de Ohm obtenemos que Rd tiene que ser de 60 ohms.

Como la Potencia es el producto del Voltaje por la Intensidad:

P = V x I

P = 1,2 v x 0,020 A = 0,024 watios

Para Rd vale con una resistencia de 1/8 de watio (0,125 w).

Por otro lado, hay una regla que dice que el valor de la corriente que circule por el Zener tiene que ser de entre un 10% y un 20% de la corriente que circule por los LEDs. Elegimos el 15% de 20 mA, que son 3 mA.

La Potencia que deberá disipar el Zener será:

P = V x I

P = 5,6 v x 0,003 A = 0,0168 watios

Suficiente con los 0,5 w del dispositivo.

La corriente que debe fluir por la resistencia limitadora Rs será la suma de las 2 corrientes anteriores: 20 + 3 = 23 mA.

Si por ejemplo, el voltaje de la fuente de alimentación son 6 voltios, por Kirchoff, en la malla del circuito que incluye la batería tendremos que

V - (I x Rs) - Vz = 0

Recordar que el Zener está polarizado de manera inversa:

Despejando Rs, obtenemos :

La potencia que debe disipar esta resistencia es:

P = V x I

P = (6 - 5,6) x 0,023 = 0,0092 W

Igualmente, para Rs vale con una resistencia de 1/8 de watio (0,125 w).

Una vez hechos los cálculos, el circuito regulador de tensión con los valores de sus componentes sería el siguiente:

Con los siguientes valores de voltaje e intensidad:

Los voltajes se acercan bastante a los calculados, considerando que el máximo voltaje que el simulador deja consumir al LED "orange" son 2,137 v, en vez de los al menos 2,2 v que querríamos para estar dentro de los límites de valores ofrecidos por el fabricante en las hojas de características técnicas de los LEDs de 5 mm.

Las intensidades también se aproximan mucho a los valores calculados.

Para terminar, podemos construir el circuito con componentes reales y medir voltajes e intensidades con el fin de realizar comparaciones con los valores calculados y obtenidos en el simulador.

Lo primero que haremos será elegir el Zener del voltaje adecuado y medir su valor con el multímetro. Para ello montaremos el siguiente circuito con el diodo en polarización inversa, una pila de mayor voltaje que el del Zener y una resistencia de unos 1000 𝛀.

Al conectar el voltímetro al Zener, obtenemos una lectura de 5,37 v.

A continuación realizamos cálculos como hemos explicado previamente y elegimos los componentes reales adecuados acorde con dichos cálculos. Usaremos una batería de 6 v, una resistencia para el zener que en el multímetro nos da 23 𝛀 y una resistencia para los 2 diodos rojos en serie que en el multímetro nos da una lectura de 51 𝛀.

Con dichos componentes montamos el circuito. Acordarse de que el Zener tiene que estar polarizado de forma inversa, su extremo con la marca negra (terminal negativo) hacia el polo positivo de la pila y el otro extremo (terminal positivo) hacia tierra: