Sea el siguiente circuito estabilizador de tensión con diodo Zener:
Vamos a hallar las corrientes, los voltajes y la potencia del circuito.
Lo primero que haremos será determinar el estado del diodo; esto es, si está funcionando en la zona de ruptura ("encendido"), o si se encuentra polarizado en otra zona de su curva en la que no esté recibiendo corriente adecuadamente ("apagado").
Esto lo realizaremos mediante Thévenin.
Para ello retiraremos el Zener del circuito, creando 2 terminales libres A y B y calcularemos la diferencia de potencial entre ellos en el circuito resultante:
Del circuito resultante podemos obtener 2 ecuaciones:
V - (I x Rs) - (IL x RL) = 0
I = Iz + IL
En este circuito no circula corriente por los terminales libres A y B, por lo que Iz = 0 y por lo tanto I = IL.
Si sustituimos valores en la primera ecuación, tenemos 16 - (I x 1000) - (I x 1200) = 0 , así que I = 0,007272 A, que es igual a IL también.
Por otro lado si sólo consideramos la malla de la derecha, tendremos que Vt - (IL x RL) = 0
Así que la diferencia de potencial entre los terminales libres A y B (Vt) es igual a 8,727 v, que también será el voltaje (VL) consumido por la resistencia de carga RL.
Todos estos cálculos los podemos resumir aplicando la regla del divisor de voltaje:
Sustituyendo valores: Vt = VL = (1200 x 16) / (1000 + 1200) = 8,727 v
Como la diferencia de tensión entre los terminales libres A y B (8,72 v) es menor que el voltaje del Zener (10 v), el diodo está apagado y no fluye corriente por él, pasando toda ella por Rs y RL, como se puede ver gráficamente:
Así que como Iz =0, la potencia en el Zener (Pz = Vz x Iz) también será 0 Watios.
Los 16 voltios de la fuente se distribuyen por RL (8,72 v) y por Rs, que será igual a I x Rs = 7,27 v, o igual a la resta entre 16 v y 8,72 v = 7,27 v
Si en vez de una RL de 1200 𝛀 ponemos 3000 𝛀, mediante el teorema de Thévenin retiraremos el Zener del circuito creando 2 terminales libres A y B y calculando la diferencia de potencial entre ellos en el circuito resultante:
V - (I x Rs) - (IL x RL) = 0
I = Iz + IL y además Iz = 0, así que I = IL.
Sustituyendo, 16 - (I x 1000) - (I x 3000) = 0
I = 0.004 A
Por otro lado, Vt - (IL x RL) = 0
Así que la diferencia de potencial entre los terminales libres A y B (Vt) es igual a 12 v.
Lo podemos hacer también utilizando la regla del divisor de tensión:
Vt = VL = (3000 x 16) / (1000 + 3000) = 12 v
En este caso la diferencia de tensión entre los terminales libres A y B (Vt = 12 v) es mayor que el voltaje del Zener (Vz = 10 v), por lo que el diodo está "encendido" y la corriente sí circula por él, además de por RL.
Recordar que este paso en el análisis se usa únicamente para determinar el estado del diodo Zener. Si éste está "encendido", el voltaje a través del diodo no son 12 v, si no que el voltaje se mantendrá en el valor de Vz (10 v), no alcanzando nunca el valor de Vt.
Siguiendo con el análisis para RL = 3000 𝛀, volvemos a conectar el Zener en su lugar original:
Los 10 voltios que tenemos en Vz son los mismos que tendremos en RL (VL = 10 v) y como los 16 v de la fuente se reparten entre Vz y VL por un lado y por Rs por otro, el voltaje que "consume" Rs (VRs) será la resta entre V y Vz = 6 v.
Por lo tanto, la corriente en la carga (IL) será VL / RL = 10 / 3000 = 0,003333 A y la corriente en la resistencia en serie (I) será VRs / Rs = 6 / 1000 = 0,006 A.
Y como I = Iz + IL , Iz = I - IL = 0,006 - 0,003333 = 0,002667 A
Así que el punto real de trabajo del Zener es el (10 v , 2,667 mA).
Por último, la potencia que disipa el Zener (Pz) viene dada por el producto de su voltaje (Vz) por la corriente que circula por el diodo (Iz). Pz = Vz x Iz. Así que Pz = 10 x 0,002667 = 0,02667 W (26,67 mW).
Veamos otro ejemplo ayudándonos con el simulador.
Sea el siguiente circuito:
Para determinar Vt, la diferencia de potencial entre los terminales libres que quedan tras retirar del circuito el diodo Zener con Vz = 10 v:
Como Vt (14,173 v) es mayor que Vz (10 v), el diodo estará "encendido" y fluirá corriente, además de por Rs (I), por el diodo Zener (Iz) y por la resistencia de carga RL (IL):
Observar que I = Iz + IL , 29,46 mA = 19,42 mA + 10,04 mA.
El punto de trabajo del Zener es el (10 v , 19,42 mA).
Fijarse en que el voltaje de la fuente (18 v) se reparte entre la resistencia en serie Rs (7,955 v) por un lado y el Zener y la resistencia de carga RL (10,045 v) por otro. Tener en cuenta que el voltaje "consumido" por RL es el mismo que Vz:
Por último, para medir la potencia en el simulador, usaremos el watímetro:
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