Cuando tengamos que diseñar un circuito eléctrico con un diodo Zener, podemos ayudarnos de la recta de carga para realizar el diseño de una forma gráfica más visual.
Para ello vamos a utilizar las curvas ofrecidas por el fabricante de una serie de estos dispositivos en las hojas de características técnicas. Estas curvas se suelen dar de forma que parezcan en polarización directa en vez de polarización inversa para un mejor entendimiento:
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| Curvas de la serie BZX55C en polarización inversa |
Si ampliamos los valores de tensión y de corriente alrededor de las curvas, podemos calcular y representar la curva de potencia máxima de disipación de la serie de diodos, teniendo en cuenta que la potencia es el producto de la tensión por la intensidad (P = V x I).
Empezaremos por el circuito más simple, sin carga, formado por una fuente de tensión (V) y una resistencia en serie (Rs) con un diodo Zener (Dz) dispuesto en polarización inversa ...
... tenemos que V - (Iz x Rs) - Vz = 0
Si elegimos una tensión en la fuente (V) de 9 v y trazamos una recta desde esa tensión hasta por ejemplo los 30 mA de Iz, lejos de los valores de la curva de potencia máxima de disipación de la serie, podemos ver los puntos de trabajo en los lugares en los que la recta cruza a las diferentes curvas de cada uno de los dispositivos de la serie de diodos:
Podemos seleccionar por ejemplo, la curva para el Zener C5V6, el punto Q de trabajo que obtenemos es el (5,6 v , 11 mA) aproximadamente:
Al sustituir estos valores en la ecuación de la malla podemos calcular la resistencia (Rs) que da unos 300 𝛀.
Con esta Rs y una fuente de 9 v conseguimos ese punto de trabajo y esa recta de carga, ya que ésta viene definida por el punto de corte de la recta con el eje X, el punto (9 v , 0 mA) y su pendiente, que es la inversa de la resistencia Rs.
Podemos elegir cualquier otro punto de trabajo de la recta de carga y obtendremos la misma resistencia Rs, 300 𝛀 aproximadamente.
Si elegimos otros valores de Rs, obtendremos otras rectas de carga con otras pendientes. Si aumentamos el valor de Rs (500 𝛀 por ejemplo), la pendiente de la recta disminuye y nos podríamos acercar en exceso a los codos de las curvas de los Zener, posición en la que le es más difícil al dispositivo realizar su función de estabilizador de la tensión. Si por otro lado disminuimos el valor de Rs (200 𝛀 por ejemplo), la pendiente de la recta aumenta y nos la acerca hacia la curva de potencia máxima de disipación del dispositivo.
Veámoslo gráficamente:
Con 200 𝛀 en Rs, 9 v en la fuente y una Vz = 0 v, obtenemos 45 mA de Iz.
Con 500 𝛀 en Rs, 9 v en la fuente y una Vz = 0 v, obtenemos 18 mA de Iz.
Por otro lado, con una resistencia Rs de 300 𝛀, al cambiar la tensión de la fuente de tensión obtenemos diferentes rectas de carga en diferentes posiciones, pero con la misma pendiente ya que Rs la mantenemos constante. Si aumentamos V a los 12 v por ejemplo, la recta toma una posición superior que nos acerca a la curva de potencia máxima de disipación del dispositivo. Si disminuimos V a los 6 v por ejemplo, la recta toma una posición más inferior que nos acerca a los codos de las curvas de los diodos, posición en la que el Zener es más difícil que realice adecuadamente su función de estabilizador de la tensión.
Veámoslo gráficamente también:
Para una V = 12 v en la fuente de tensión, una Rs de 300 𝛀 y una Vz = 0 v, obtenemos una Iz = 40 mA.
Para una V = 6 v en la fuente de tensión, una Rs de 300 𝛀 y una Vz = 0 v, obtenemos una Iz = 20 mA.
Si nos quedamos con la recta de carga definida por 9 v en la fuente y Rs = 300 𝛀 y queremos elegir un Zener que "ofrezca" una tensión de 4,7 v a una resistencia de carga RL de 2000 𝛀; sin esta resistencia, obtenemos un punto de trabajo (4,73 v , 14,3 mA), como podemos ver en el simulador:
También en el simulador, obtenemos la curva del BZX55C4V7 con el analizador Voltaje / Intensidad y sobre ella trazamos la recta de carga que hemos definido previamente y sobre ella el punto Q de trabajo, punto en el que se cortan la curva del dispositivo y la recta de carga, obteniendo los mismos valores de corriente y de voltaje que con los multímetros del simulador:
Observamos que la tensión en el Zener (Vz), que es la misma que va a aparecer en RL, apenas ha variado (de 4,73 v ha pasado a 4,72 v); pero la corriente por el Zener (Iz) ha disminuido (de 14,3 mA ha pasado a 11,8 mA) debido a que parte de la corriente suministrada por la fuente ha tenido que ir hacia la resistencia de carga RL, en concreto, 2,3 mA. En este caso el punto Q de trabajo se desplaza hacia el codo de la curva del Zener:
Si aumentamos el valor de RL a 3000 𝛀 por ejemplo, el punto de trabajo se acerca otra vez a la recta de carga, ya que disminuye la corriente hacia la carga (IL) y aumenta la corriente hacia el Zener (Iz). Observaremos que la tensión del Zener (Vz) apenas varía:
Por el contrario, si disminuimos el valor de RL, por ejemplo a 1000𝛀, el punto de trabajo se mueve por la curva del Zener hacia el codo de ésta, ya que aumenta la corriente hacia la carga (IL) y disminuye la corriente al Zener (Iz). La tensión en el Zener aún sigue prácticamente igual:
Sin embargo, si disminuye demasiado el valor de la resistencia de carga (RL) por ejemplo a 300 𝛀, la corriente por el Zener disminuirá en exceso llegando a ser prácticamente igual a 0. En este punto la capacidad del Zener de mantener la tensión constante en 4,7 v desaparece, con lo que el dispositivo ya no podrá realizar su función de regular o estabilizar la tensión:
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