El diodo Zener aprovecha la ruptura inversa de una unión PN fuertemente dopada para mantener una tensión casi constante entre sus terminales. Este comportamiento lo distingue radicalmente de un diodo de señal o rectificador, para los que la ruptura inversa es un modo de fallo. En este caso, la ruptura inversa es el régimen normal de funcionamiento.
Resistencia dinámica y corriente de prueba: lo que la hoja de datos no explica suficientemente
La tensión Zener indicada en una hoja de datos corresponde a una corriente de prueba concreta. Fuera de ese punto de funcionamiento, la tensión real puede desviarse considerablemente del valor nominal.
La resistencia dinámica explica esta desviación. En la zona de ruptura, cualquier variación de la corriente que atraviesa el diodo provoca una variación proporcional de la tensión entre sus terminales. Cuanto menor sea esta resistencia, más precisa será la regulación.
A baja corriente, cerca del codo de la curva característica, la regulación empeora notablemente. Un Zener polarizado a una décima parte de su corriente de prueba nominal puede presentar una tensión sensiblemente inferior a la esperada. Recomendamos consultar siempre la curva completa de corriente-tensión del componente, en lugar de fiarse de un único valor tabulado.
Un artículo que detalla el funcionamiento de un diodo Zener confirma que esta resistencia dinámica debe evaluarse en el punto de funcionamiento real del circuito, no únicamente en las condiciones nominales del fabricante.
Diodo Zener y diodo TVS: dos componentes que se confunden erróneamente
Un error frecuente consiste en utilizar un Zener estándar para proteger un circuito contra transitorios rápidos. Un Zener de regulación y un TVS no son intercambiables.
El Zener está diseñado para funcionar en régimen continuo: su tensión nominal, potencia disipada y resistencia dinámica se especifican en condiciones estáticas o cuasiestáticas. El TVS, en cambio, se especifica para impulsos de corta duración, con una tensión de limitación y una forma de onda definidas según normas de inmunidad precisas.
Criterios para elegir entre Zener y TVS
- El Zener es adecuado para la regulación de tensión, como referencia de tensión y para polarizar componentes activos en régimen permanente
- El TVS está dimensionado para absorber picos de energía transitorios (ESD, sobretensiones de conmutación) sin superar su tensión de limitación durante el impulso
- Los parámetros de selección son distintos: el Zener se elige según su tensión nominal y su potencia continua; el TVS, según su tensión de espera, su tensión de limitación y su capacidad para disipar la energía de un impulso normalizado
Colocar un Zener donde se necesita un TVS expone el circuito a una tensión de limitación mal controlada y a la rápida destrucción del componente si el impulso supera la potencia continua admisible.
Dimensionamiento de un circuito de regulación en derivación con diodo Zener
El circuito de regulación en derivación es la aplicación más extendida del diodo Zener. El diodo se coloca en paralelo con la carga y una resistencia en serie limita la corriente procedente de la alimentación.
Parámetros que deben determinarse para el dimensionamiento
La resistencia en serie debe calcularse de modo que la corriente que atraviesa el Zener se mantenga dentro de su rango de corriente admisible: por encima de la corriente mínima de regulación (el codo de la curva característica) y por debajo de la corriente máxima establecida por la potencia disipada.
La tensión de salida regulada es la del Zener, menos la caída en la resistencia dinámica multiplicada por la variación de corriente. Cuanto más consume la carga, menos corriente deriva el Zener, y viceversa. Si se desconecta la carga, toda la corriente atraviesa el Zener: este es el caso más desfavorable en cuanto a disipación térmica.
La potencia disipada por el Zener cuando no hay carga determina la potencia nominal del componente. Un Zener en encapsulado SOD-323 no disipará la misma energía que uno en DO-41. Dimensionar este parámetro por debajo de lo necesario provoca un calentamiento excesivo que modifica la tensión de ruptura y puede destruir el componente.
Coeficiente de temperatura y estabilidad de la tensión Zener
El comportamiento térmico de un Zener no es un detalle secundario. El calentamiento modifica la tensión de ruptura, y esta deriva depende del mecanismo físico predominante.
En los diodos cuya tensión nominal es inferior a unos cinco voltios, predomina el efecto Zener puro (efecto túnel). El coeficiente de temperatura es entonces negativo: la tensión disminuye cuando aumenta la temperatura. Por encima de ese valor, predomina la ruptura por avalancha, con un coeficiente positivo.
En torno a los cinco voltios, ambos mecanismos se compensan parcialmente, lo que da lugar a componentes con una deriva térmica muy baja. Por este motivo, los diodos de referencia de tensión suelen especificarse en este rango.
Aplicaciones como referencia de tensión
En los circuitos de conversión analógico-digital o en las fuentes de alimentación de precisión, la estabilidad de la referencia determina la precisión global del sistema. Un Zener elegido en la zona de compensación térmica, junto con una corriente de polarización estable, proporciona una referencia de tensión utilizable sin un circuito de compensación externo.
En aplicaciones donde la deriva residual sigue siendo demasiado elevada, se prefieren referencias de tensión integradas (bandgap), pero el Zener sigue siendo una opción pertinente en circuitos discretos de coste controlado.
La elección de un diodo Zener depende menos de su tensión nominal que del conjunto de sus parámetros en el punto de funcionamiento real: resistencia dinámica, corriente de prueba, potencia disipada y coeficiente de temperatura. Un componente correctamente dimensionado para su contexto térmico y eléctrico ofrece una regulación fiable durante décadas. Pasar por alto uno solo de estos parámetros puede convertir un regulador en una fuente de fallos intermitentes.
