Regulador de tensión con diodo Zener: cómo diseñarlo

Cómo funciona el regulador

En el circuito, la tensión de entrada V_in alimenta una resistencia en serie R_s. El diodo Zener está en inversa en la salida, en paralelo con la carga. Cuando la tensión inversa alcanza V_Z, el Zener conduce y su tensión apenas cambia al variar su corriente, de modo que la salida se mantiene cerca de V_Z.

La corriente por R_s es I_s = (V_in − V_out) / R_s, y se reparte entre la carga y el Zener: I_s = I_L + I_Z. Cuando la carga toma más corriente, el Zener toma menos, y al revés. El total por R_s permanece aproximadamente constante, y por eso la salida se mantiene estable.

La regulación solo funciona mientras la corriente del Zener se mantiene entre un mínimo y un máximo. Por debajo de la corriente de codo el Zener deja de regular, y por encima de su potencia nominal se sobrecalienta.

Características del Zener que importan

Cuatro valores de la hoja de datos determinan el diseño.

• V_Z, la tensión Zener, es la tensión de salida regulada.
• r_z, la resistencia dinámica, indica cuánto cambia la salida por unidad de corriente del Zener: ΔV = r_z × ΔI_Z. Una r_z menor significa mejor regulación.
• La corriente de codo es la corriente mínima para una regulación estable.
• La potencia máxima nominal limita la corriente a I_Z,max = P_max / V_Z.

El simulador de Zener de Curvo Studio modela el lado inverso de este modo. Por debajo de V_Z circula una pequeña corriente de fuga, que crece hacia la corriente de codo a medida que la tensión se acerca a V_Z. Por encima de V_Z el modelo es lineal: I = I_knee + (V − V_Z) / r_z. El preset BZX55C5V1, el predeterminado, tiene V_Z = 5,1 V, r_z = 17 Ω, una corriente de codo de 1 mA y una potencia nominal de 500 mW.

Dimensionar la resistencia en serie

Elija R_s de modo que el Zener conserve siempre al menos una corriente mínima segura, incluso con la tensión de entrada más baja y la corriente de carga más alta.

R_s = (V_in,min − V_Z) / (I_Z,min + I_L,max)

Elija I_Z,min con holgura por encima de la corriente de codo, por ejemplo unos pocos miliamperios, para que la regulación se mantenga cuando cambien la entrada o la temperatura.

Después compruebe el otro extremo: la tensión de entrada más alta con la carga más ligera, normalmente sin carga. Toda la corriente pasa por el Zener:

I_Z,max = (V_in,max − V_Z) / R_s − I_L,min

La potencia del Zener es P_Z = V_Z × I_Z,max y debe mantenerse por debajo de la potencia nominal del diodo. La resistencia disipa P_R = (V_in,max − V_Z)² / R_s, así que elija una resistencia con una potencia nominal superior.

Si la comprobación falla, aumente R_s, lo que reduce la corriente y el rango de carga que puede alimentar, o utilice un Zener con mayor potencia nominal.

Ejemplo resuelto: regulador de 5,1 V

Diseñe un regulador con el BZX55C5V1 (V_Z = 5,1 V, 500 mW, codo de 1 mA) para una entrada de 9 V a 12 V y una carga de 0 a 20 mA. Elija I_Z,min = 5 mA.

1. R_s = (9 − 5,1) / (0,005 + 0,020) = 156 Ω. Use el valor estándar de 150 Ω, que mantiene la corriente mínima del Zener algo más alta. 2. Peor caso para el Zener, entrada de 12 V y sin carga: I_Z = (12 − 5,1) / 150 = 46 mA, por lo que P_Z = 5,1 × 0,046 ≈ 235 mW. Es inferior a 500 mW. 3. Potencia de la resistencia a 12 V: (12 − 5,1)² / 150 ≈ 0,32 W, así que use una resistencia de 0,5 W. 4. Compruebe el caso mínimo, 9 V de entrada y 20 mA de carga: I_Z = 3,9 / 150 − 0,020 = 6 mA, por encima del codo de 1 mA.

El cálculo a mano trata el Zener como una fuente ideal de 5,1 V. El modelo del simulador incluye además r_z, por lo que la salida se mueve un poco. A 9 V y 20 mA se estabiliza cerca de 5,18 V con unos 5,5 mA en el Zener, y a 12 V sin carga cerca de 5,79 V con unos 41 mA. Por tanto, la salida varía en torno a 0,6 V mientras la entrada cambia 3 V y la carga recorre todo su rango.

Rango de carga y límites

El regulador solo puede suministrar corrientes de carga de hasta I_L,max = (V_in,min − V_Z) / R_s − I_Z,min. Con la resistencia de 150 Ω a 9 V son 26 mA − 5 mA = 21 mA. La resistencia de carga más baja que puede alimentar manteniendo 5,1 V es de aproximadamente 5,1 / 0,021 ≈ 243 Ω.

Un regulador Zener es sencillo pero derrochador. La resistencia y el Zener consumen potencia incluso cuando la carga no demanda nada, y la salida sigue variando con la entrada y la carga porque r_z no es cero. Para cargas mayores, se añade un transistor o se usa un regulador específico. El Zener se sigue utilizando ampliamente como referencia de tensión y como protección contra sobretensiones.

El simulador modela una potencia nominal fija. Los Zener reales deben reducir su potencia admisible al subir la temperatura, así que deje un margen adicional en un diseño real.

Pruébelo en el simulador de Zener

Abra el simulador de diodo Zener con el preset BZX55C5V1 y fije una tensión aplicada negativa, es decir, polarización inversa.

• A −3 V la corriente es solo de unos 0,04 mA de fuga.
• A −5,1 V la corriente es la corriente de codo de 1 mA.
• A −5,79 V es de unos 41 mA, con unos 240 mW de disipación. Coincide con el caso de 12 V sin carga anterior.
• Siga bajando la tensión. Cerca de −6,4 V la corriente es de unos 79 mA, la potencia supera 0,5 W y el simulador marca el dispositivo como sobrecargado.

Compare la curva con el ejemplo resuelto. La pendiente de la región de regulación es 1 / r_z, así que al cambiar r_z en el panel cambia lo plana que se mantiene la salida.