Variaciones de tensión en circuito estabilizador con Zener

 

Previamente ya hemos visto cómo diseñar un circuito estabilizador de tensión mediante un diodo Zener:

Se utilizó un Zener 5V6 con la siguiente curva I/V obtenida en el simulador:

A continuación veremos su funcionamiento con más detalle.

Para ello, lo primero que haremos será consultar las características técnicas del BZX55C5V6 de 0,5 w de potencia máxima de disipación a 25ºC:

En ellas observamos que su Tensión Zener nominal (Vznom) son 5,6 v, con una tolerancia de +/- 0,4 voltios, así que el valor nominal tras su fabricación puede estar comprendido entre los 5,2 y los 6 v (Vzt).

Izt es la corriente a la que típicamente debe funcionar el diodo, que en este caso son 5 mA, valor para el que se mide una tensión nominal de 5,6 v.

La resistencia dinámica máxima en el lado izquierdo del codo de la curva en polarización inversa (Zzt) es de 25 ohms y en el lado derecho del codo, en polarización inversa, (Zzk) 450 ohms.

Izk es la corriente mínima que debe pasar por el Zener para que éste funcione; en este caso es 1 mA.

A continuación trazaremos la recta de carga sobre la curva característica del Zener en polarización inversa con el fin de determinar el punto de trabajo del diodo para una determinada resistencia limitadora (Rs) y una tensión de fuente de alimentación.

Nos concentraremos en la malla con la fuente de alimentación del circuito estabilizador:

Así que:

V - (I x Rs) - Vz = 0

Despejando la Intensidad:

Si sustituimos los valores de Rs y de V, obtenemos la ecuación de una recta:

- 6 de V porque estamos en el cuadrante inferior izquierdo del eje X / Y ; esto es, en polarización inversa.

Para ver dónde corta la recta el eje Y , damos el valor de 0 a Vz, por lo que nos queda que

I =  - 0,344 A

Para ver dónde corta la recta el eje X, damos el valor de 0 a I, por lo que nos queda que

Vz = - 6 v

Ahora ya podemos representar la recta de carga (en verde) sobre la curva del diodo zener 5V6 (en rojo):

Observamos que ambas se cortan en el punto de trabajo Q₁ (-5,6 v , -23 mA).

Lo vemos con la ecuación de la recta de carga. Si damos a Vz el valor de - 5,6 v, 

I = - 0,0229 A

Si en el circuito cambiamos el Zener 5V6 por otro, por ejemplo, por el 4V7, obtendremos otra curva de polarización (representada en naranja), que cortará a la recta de carga en el punto de trabajo Q₂ (-4,7 v, -74,7 mA). Lo podemos calcular en la ecuación de la recta, dando a Vz el valor de 4,7 v.

Si nos quedamos con el Zener 5V6 en el circuito estabilizador e imaginamos que el valor de la tensión de la fuente cambia de los 6 v que tenía previamente a por ejemplo 7 v, entonces la ecuación de la recta de carga cambiará a:

Con lo cual, también cambiará la recta de carga y el punto de trabajo, como se indica a continuación:

La nueva recta de carga (en azul) corta el eje X en -7 v y el eje Y en -402 mA. Lo podemos calcular con la nueva ecuación de la recta dando a I y a Vz el valor de 0 respectivamente. Además, también corta la curva de polarización del Zener 5V6 en el nuevo punto Q (-5,6 v, -80 mA). Lo podemos ver en la ecuación dando el valor de -5,6 v a Vz.

A este respecto, decir que estamos considerando el diodo Zener como un diodo ideal, en el que la resistencia dinámica interna del dispositivo es 0 ohms (Rz), la pendiente de la curva a la izquierda del codo es infinita (1/Rz) y por lo tanto, la curva es completamente vertical, siendo Vz siempre -5,6 v. Pero como se puede observar, Vz no siempre es -5,6 v, si no que va aumentado progresivamente hacia los -6 v. De todas formas, si obviamos esta cuestión, los cálculos se aproximarán bastante a lo real; siempre, claro, que el Zener trabaje próximo a los valores nominales ofrecidos por el fabricante.

Por último, decir que la pendiente de la nueva recta de carga es la misma que la de la recta con V = -6 v. Esto es porque la resistencia limitadora (Rs) no ha cambiado, sigue siendo 17,4 ohms.

Recordar que la ecuación de una recta viene dada por la expresión  y = mx + b , en donde x e y son las variables en los ejes cartesianos, m es la pendiente de la recta y b es la ordenada al origen. 

Pues bien, si consideramos la ecuación de la última recta de carga:

y si reordenamos términos, nos quedaría:

En donde Vz e I representan las variables X e Y respectivamente, - 402 mA es la ordenada al origen (b) y 1/17,4 𝛀 es m, la pendiente de la recta, que es la misma que en la ecuación de la recta de carga para V = - 6 v.

Por eso se dice que la pendiente de la recta es la inversa de la resistencia (1/Rs).

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