Laboratorios de investigación.

La tensión Zener es la tensión que cae en un diodo Zener cuando se supera la tensión de polarización inversa que el diodo tiene establecida por constitución. Vamos a trabajar sobre el siguiente circuito:

El circuito es muy sencillo teniendo una resistencia limitadora de 200Ω una resistencia de fuente de 100Ω y un potenciómetro de 10KΩ. Además utilizaremos para la práctica un diodo Zener 6V8BC, de 6,8V de tensión Zener. Puedes descargarte la hoja de características en el anterior enlace.

Si variamos la posición del potenciómetro veremos que la tensión va adquiriendo varios valores, pero la intensidad apenas se mueve.

Como puedes ver empezamos a variar el potenciómetro y no conseguimos nada de corriente por el circuito, pero el voltímetro si muestra una caída de tensión significativa. Llegados a un punto de la tensión Zener, el diodo empieza a conducir, y en ese momento empieza a circular una corriente por el circuito.

Como puedes ver una vez alcanzada la tensión de Zener, la tensión por el voltímetro es siempre la misma, pero la corriente aumenta significativamente por el aumento de cargas inversas. Anotando los valores de intensidad y tensión en una tabla, nos servirá más adelante para representar la curva de características del diodo Zener y su tensión inversa. Asi que primero hacemos la tabla de los valores:

Y después hacemos la gráfica.

Esta gráfica es la gráfica de corriente inversa. Es muy habitual también la gráfica de la corriente directa del diodo Zener conectado en directa, y juntar dichas gráficas.

En este circuito no se tiene en cuenta la temperatura ni las tolerancias de lecturas efectuadas y que pueden provocar un desplazamiento de la curvatura de las rectas de la gráfica. Estas tolerancias pueden hacer variar las tensiones efectivas alrededor de entre un ±5% y un ±10%, lo que en el diodo representado de 6,8V, la tensión Zener variará según la temperatura y el error de medida de entre los 6,05V y los 7,32V.

Rectificador de Media Onda con filtro.

En este estudio vamos a observar el comportamiento de un circuito rectificador de media onda y la influencia sobre la tensión de salida que produce la carga y la capacidad del condensador del filtro. Este estudio se lleva sobre el siguiente circuito.

En el anterior circuito puedes ver qué onda forma de onda tienen la salida del circuito. Observa que como se espera es una salida pulsante en donde la señal alterna del generador solo consigue pasar durante su ciclo positivo como se muestra en la imagen anterior. Además el condensador lo tenemos desconectado para que veamos bien el efecto.

Según variamos la posición del potenciómetro, veremos como disminuye la intensidad del circuito, pues aumenta la caída de tensión en el mismo.

Haciendo la tabla de valores:

NOTA: Para la medida cambiamos las características de los elementos de medida y los ponemos en modo alterno.

Como puedes imaginar con una tensión de 15 voltios que proporciona la alimentación, estamos obteniendo una media de un 55% a 60% del valor eficaz de la tensión. También cabe destacar que al aumentar el consumo de corriente (porque disminuye la carga), la caída de tensión suele mantener la media constante porque el diodo de silicio tiene una caída de tensión pequeña y poco variable.

Conectando el condensador.

Puedes ver que existe una diferencia entre ambos casos. En el circuito anterior puedes ver que por un lado aumenta la tensión de salida gracias al filtro de condensador (como ya se ha explicado en el curso de electrónica básica). Por otro lado también la tensión de salida es más estable ya que aumenta el rendimiento de la tensión eficaz de la tensión alterna.

Podríamos hacer más pruebas como por ejemplo cambiar los valores del condensador filtro. Veríamos que a mayor capacidad, mejor será la estabilidad de la tensión de salida. Vemos que con 100 µF, la tensión de salida ronda los 19,6V. Aumentando el valor del condensador a los 2000 µF, la tensión media aumentaría hasta los 21,2V. Por lo tanto también vemos que la elección del condensador de filtro nos estabilizará la tensión en un rectificador de media onda.

Fuente de alimentación.

Este circuito que vamos a montar es una fuente de alimentación de continua estabilizada y de valor constante que viene fijado por el Zener.

El transistor en el circuito anterior queda en serie con la resistencia de carga. En el transistor queda la tensión resultante de la diferencia de tensión entre la tensión de entrada y la tensión de salida estabilizada. Dicha tensión "sobrante" se reflejará entre el colector y el emisor.

Calculo del estabilizador.

● Tensión estabilizada de salida (V_S): 6V
● Valor de la carga (R_L): máximo 100Ω y mínimo 25Ω
● Tensión alterna de entrada: 15V.
● Circuito rectificador: Doble onda.

Como en el circuito por efecto de las variaciones de tensiones de entrada, cogeremos valores por defecto de la tensión de entrada de forma que:

● Tensión nominal: 21V.
Tensión mínima de continua: 19V.
Tensión de continua máxima: 23V

Con una intensidad mínima y máxima que circulará por la R_L:

IL(mín) = Tensión estabilizada ÷ Resistencia máxima = 6V ÷ 100Ω = 0.06A

IL(max) = Tensión estabilizada ÷ Resistencia mínima = 6V ÷ 25Ω = 0.24A

Esta intensidad será la que circule por el transistor, por lo que la corriente mínima será de 60mA y la corriente máxima de 240 mA. Como esta última corriente es muy elevada, deberás de escoger un transistor que permita aguantar dicha corriente máxima. En este caso escogemos el 2N3035, que es un transistor de potencia de hasta 15A de corriente de colector. Teniendo además una ganancia mínima (f_fe) de 33 podemos establecer la corriente de base:

Ib(max) = 0.24A ÷ 33 = 0.007A

Calculando con la ganancia mínima nos aseguramos que el transistor entre a la conducción. Para calcula la corriente mínima de la base tendremos en cuenta la máxima resistencia de carga:

Ib(min) = 0.06A ÷ 33 = 0.001A

Y teniendo en cuenta estas variaciones de la corriente de base, podemos proceder al cálculo de la resistencia R y del circuito Zener de la anterior figura.

Como la resistencia de base es la que ofrece el transistor por su base-emisor, se puede sustituir en un circuito equivalente de polarización como ves a continuación:

Por la resistencia de base circulará una intensidad de entre 0.001A y 0.007A como máximo. El valor de la resistencia limitadora la podemos calcular con cálculos simples:

Rmax = (Ve(min) - Vzener ÷ (Ib(max) + Iz(min) =
19V - 6V ÷ 0.007A + 0.005 = 1080Ω

NOTA: En estos cálculos he cogido un valor mínimo de 5mA de corriente de Zener como corriente mínima para que mantenga su tensión zener. El valor mínimo que cogerá la resistencia es de:

Rmin = (Ve(max) - Vzener ÷ (Ib(min) + Iz(max) =
23V - 6V ÷ 0.001A + 0.12 = 140Ω

Ahora hemos tomado 120mA de intensidad máxima de Zener (para no sobrepasar su máxima disipación).

Como según nuestro cálculo, la resistencia debe de ser superior a 180Ω y menor de 1080Ω, utilizaremos una resistencia de 390Ω de 6W de valor intermedio. Con este valor, podemos calcular la potencia de disipación con la fórV

P = R x I2 =
390Ω x 0.1212 = 5,46W

El circuito queda como puedes ver a continuación:

Si en lugar de tener una resistencia de carga fija, ponemos un potenciómetro y conectamos un par de amperímetros en el circuito, podemos ver que la tensión se mantiene constante mientras desplazamos el potenciometro de los 25Ω a los 100Ω.

Si variamos el potenciómetro, veremos que la tensión de salida se mantiene prácticamente sin cambios, lo que implica que la tensión de salida se mantiene prácticamente constante aunque aumente el consumo. También puedes ver que la tensión es diferente ya que calculamos la tensión de 6V de salida; sin embargo en el diodo emisor caen 0.7V, por lo que la tensión de salida se reduce. Para evitar dicha caída, utiliza otro Zener de 6.8V para compensar la caída del diodo emisor del transistor.

Este circuito tiene el incoveniente que la tensión de salida quizá es algo menos estable que con solo el diodo zener. Se podría mejorar utilizando filtros de fuente y un rectificador en puente. Pero además, tiene una ventaja y es que con este circuito puedes pasar de corrientes pequeñas a corrientes elevadas mientras que con el circuito unicamente de zener, la corriente de salida sería solo de alguna decenas de miliamperio. También con este circuito te permite regular la tensión de salida para obtener diferentes tensiones estables.

Hasta aquí la última clase de electrónica avanzada. Espero que hayas disfrutado del curso tanto como yo escribiendolo y espero que sigas formándote utilizando los recursos gratuitos de mirpas.com.

En el mundo de la electrónica todavía tienes mucho que aprender y muchas técnicas que estudiar: nos queda por ver bien la electrónica digital, las telecomunicaciones y la electrónica de consumo. Cursos que iré subiendo poco a poco y paso a paso revisando correctamente su contenido y adpatandolo a nuevos retos. Muchas gracias.