Publicado : 24/01/2022 Referencias de tensión – Diodo Zener y reguladores - Categorías : Otras novedades , Productos , Teoría Productos relacionados 78L05 Regulador de voltaje 5% 5V 100mA TO-92 WS78L05ACZ L7805CV Regulador de voltaje 5V 1.5A TO-220 Cuando se quiere mantener una tensión continúa constante se usan dispositivos llamados referencias de tensión, entre los que se encuentran diodos Zener, transistores y demás. Si no conoces estos elementos, te los explicamos en este artículo, para que puedas usar correctamente este elemento en tus circuitos. ¿Qué es una referencia de tensión? Primero de todo, una referencia de tensión proporciona una tensión de corriente continua estable, tanto a corto como a largo plazo, que se utiliza como referencia estándar para otros muchos circuitos. Su salida estable sirve como guía para circuitos como reguladores de tensión, convertidores A/D, D/A, tensión/frecuencia y frecuencia/tensión, multímetros, sensores, amplificadores logarítmicos, y otros muchos circuitos de instrumentación que tienen como finalidad medir magnitudes físicas de sistemas reales. Al servir de guía no debe verse afectado por condiciones que si puedan afectar al otro circuito, porque entonces no sería confiable. Como su nombre indica, sirve de referencia para marcar una tensión, por lo que está tensión será el voltaje de referencia para otros circuitos. Como sabemos, una referencia se usa en las comparaciones, por lo tanto, por ahí va la cosa y los usos de estos dispositivos. Por lo tanto, reunidas las características podemos llamar una referencia de tensión a un tipo de circuitos integrados capaces de proporcionar una tensión conocida, sumamente estable frente a variaciones de la tensión de entrada, temperatura y envejecimiento. ¿Para qué sirve una referencia de tensión? Pues como hemos dicho, sirve para guía en otros circuitos. ¿Esto por qué? La tensión obtenida se puede utilizar, por ejemplo, para las necesidades de un comparador de tensión. Comparamos el voltaje (por ejemplo, de un sensor analógico) con otro voltaje determinado con precisión; entonces estamos seguros de que el umbral de conmutación está en un nivel conocido y sin cambios. Este nivel conocido y sin cambios lo fija obviamente nuestra tensión de referencia mediante el dispositivo que hayamos usado para ello. Además, se necesitan fuentes de voltaje para estabilizar el voltaje, es decir, todo tipo de fuentes de alimentación, incluidas las reguladas. Cada una de estas debe contener una fuente de referencia incorporada con la que podrá relacionar el valor de voltaje actual en su salida. Consideraciones de las referencias de tensión Antes de meternos en los tipos de referencias que existen y explicar sus características, vamos a ver las consideraciones que hay que tener en cuenta con estas. Al diseñar un circuito con una referencia de tensión, hay algunas especificaciones clave a considerar: Cambio de temperatura Una medida importante para calcular el rendimiento de la referencia de tensión es el cambio de temperatura o cómo cambia la tensión de salida con las variaciones de temperatura. Debido a las imperfecciones en los elementos del circuito, la curva de esta variación de temperatura puede ser no lineal. Por lo tanto, las estimaciones del cambio de temperatura generalmente se presentan en un "método de caja", que calcula la tensión máxima/mínima esperada en un sistema sin tener en cuenta las fluctuaciones de temperatura. Estabilidad a largo plazo Esta es una medida de la tendencia de una tensión de referencia a cambiar con el tiempo, independientemente de otras variables. Puede haber muchas razones para los cambios en la estabilidad a largo plazo, incluida la tensión mecánica, los cambios en la composición de los elementos del circuito y la degradación de la temperatura. Precisión inicial La mayoría de las referencias de tensión tienen una variación de tensión de salida de 25 °C. Si esta es una constante para una unidad dada, entonces se puede calibrar fácilmente. Histéresis térmica Esta es una medida de la fluctuación de tensión como resultado del cambio de tensión del dado debido al ciclo térmico. Es importante conocer la salida de tensión nominal de su referencia durante los ciclos de temperatura subsiguientes, ya que esto permitirá un cálculo preciso del error de salida. Tipos de referencias de tensión Hay dos tipos principales de referencias de tensión: de derivación y serie. Las referencias de derivación son del tipo de 2 terminales, diseñadas para trabajar en un rango específico de corrientes, como son los diodos Zener. Las referencias de serie son tres (o más) dispositivos terminales que están diseñados para funcionar en circuitos con grandes cambios en la tensión de suministro o la corriente de carga. En este artículo veremos los dos principales dispositivos usados para referencias de tensión: el diodo Zener y el regulador de tensión. Diodos Zener Los Zener son un tipo de diodo, que en apariencia física son muy parecidos a los diodos rectificadores básicos. En un primer lugar, si quieres conocer más a fondo sobre los diodos te recomendamos que eches un vistazo a nuestro blog: ¿Para qué sirven y cómo funcionan los diodos? - guía introducción a los diodos El diodo Zener, así como el diodo de silicio, lo podemos polarizar de dos formas: en la dirección de conducción y polarizadas inversamente. Los Zener, a diferencia de los diodos normales, están fabricados para usarse en polarización inversa, ya que de este modo proporcionan una tensión estable, que es lo que venimos diciendo sobre las referencias de tensión. Como se puede observar en el símbolo mostrado en la imagen inferior, añade dos barritas transversales ligeramente dobladas en el cátodo. La polarización normal va de ánodo a cátodo, y la inversa, al contrario. En la dirección de avance, este diodo no tiene propiedades especiales. Debido al flujo de corriente, se deposita sobre él la tensión estándar de 0,7 V o similar. Esto no es muy útil, cualquier diodo de silicio hará lo mismo. Es diferente con el sentido inverso. En este caso, la corriente simplemente no fluye a través del diodo de silicio. Sin embargo, fluirá a través del diodo Zener y el llamado voltaje zener. Su valor lo especifica el fabricante y varía desde unos pocos voltios hasta incluso los 200 V. Un diodo Zener se abre como resultado de una llamada ruptura. La unión está polarizada negativamente y, para un determinado valor de tensión, la barrera del interior del diodo es atravesada por los portadores, que empiezan a fluir a través de ella. Esto provoca el llamado efecto avalancha. Por ejemplo, un diodo con una tensión de ruptura Zener de 3.2 V ( Vz = 3,2V) presenta una caída de voltaje de casi 3.2 V en un amplio rango de corrientes inversas. Por otro lado, la tensión inversa de un diodo de silicio (del orden de decenas y centenas de voltios) está limitada por un fenómeno muy similar. En el caso de los diodos de silicio ordinarios, los fabricantes no controlan con precisión el valor de esta tensión, ya que no se utiliza para la estabilización. La sobretensión está asociada a una actividad destructiva e irreversible. Sin embargo, en el caso de los semiconductores es diferente, es completamente inofensivo si cuando ocurre la estructura de silicio no se sobrecalienta. Por lo tanto, la zona operativa de los Zener es en polarización inversa cuando se sobrepasa la tensión Zener, por tanto, sacará constantemente esta tensión, tal y como se muestra en la siguiente gráfica de la curva característica de un Zener. Ejemplo práctico con un diodo Zener Todo se observa mejor en un ejemplo, asique veamos un circuito simple con un diodo Zener, para entender el funcionamiento. Es hora de comprobar en la práctica cómo se comporta el diodo Zener y si realmente es "estable". Para este experimento, necesita los siguientes elementos: 1 × Diodo 1N4148 1 × dioda Zener 3.3 V 1 × microinterruptor 1 × resistencia de 330 Ω 4 × pilas AA 1 × portapilas para 4 pilas AA 1 × placa de prototipo (Protoboard) juego de cables jumper. Conectamos los elementos de acuerdo con el siguiente esquema simple, recordando la polaridad inversa del diodo Zener. El diagrama también muestra el símbolo de un voltímetro; gracias a él, puede ver exactamente los puntos que probaremos con un medidor universal. En la práctica, puede verse así: Después de alimentar el circuito, no sucederá nada espectacular. Sin embargo, necesitamos medir el voltaje a través del diodo Zener, porque eso es lo que nos interesa ahora. Dependiendo del estado del botón, un voltaje ligeramente diferente llegará al diodo Zener. Cuando no se presiona el botón, toda la corriente fluye a través del diodo 1N4148, por lo que el resto del sistema se alimenta con un voltaje más bajo (0,7 V). Después de presionar el botón, la gran mayoría de la corriente fluirá a través del botón (porque esta ruta para la corriente es más fácil), por lo que el sistema se alimentará desde 6 V. Cuando se suelta el botón, el voltaje de la batería se reduce en aproximadamente 0,7 voltios mediante un diodo de silicio, o aproximadamente 5,3 V. En estas condiciones, una corriente de aproximadamente 6 mA fluye a través del diodo Zener. Después de contactar diodo microinterruptor de silicio está en cortocircuito y el sistema de alimentación se aumenta hasta aproximadamente 6V. En consecuencia, la corriente que fluye a través de la fuente de voltaje de referencia probada aumenta a ~ 8 mA. Como puede ver, la diferencia en el voltaje medido a través del diodo es bastante significativa, alrededor de 0.1V. Por lo tanto, esta diferencia es significativa para un elemento que se suponía que solo serviría para proporcionarnos un voltaje perfectamente estable de un valor conocido en su salida. Desventajas del diodo Zener Los diodos Zener son pequeños y baratos, pero tienen muchas desventajas. Primero, se producen con un margen de ± 5%, como hemos podido ver con el ejemplo anterior. Esto significa que un diodo con una tensión Zener de 3.3 V en realidad puede ser de 3.135 V a 3.465 V. Diferencias tan grandes eliminan estos componentes de aplicaciones en las que necesitamos una tolerancia del 0,1% o incluso menor (lo que no es tan raro). La segunda gran deficiencia es la sensibilidad a la temperatura. El voltaje en el diodo cambia con la temperatura. Peor aún, estas variaciones son diferentes para diferentes valores de voltaje zener. Además, también dependen del valor de la corriente que fluye. Por lo general, están alrededor de 1-9 mV/° C. La tercera desventaja, y de las más importantes, es la necesidad de proporcionar al diodo un valor constante de la corriente que lo atraviesa. Si no lo aseguramos, el voltaje en sus terminales también cambiará con el tiempo con los cambios del voltaje de entrada. Por lo tanto, alimentar el diodo a través de una resistencia, aunque es la más simple de implementar, solo está permitido en los casos en que podamos aceptar tales fluctuaciones. La última desventaja significativa, especialmente hoy en día, es la necesidad de proporcionar al diodo una cierta corriente mínima que fluye a través de él. Normalmente se toman 5 mA. Esto significa que incluso si una entrada de, por ejemplo, un comparador (que consume una corriente insignificante) está conectada a los terminales de nuestro diodo, deben fluir 5 mA a través del diodo y ni un poco menos. Esta es una gran desventaja en los sistemas de baterías: cada miliamperio es valioso allí. Regulador de tensión Si el diodo Zener presenta tantas desventajas, y estas no cumplen los requerimientos de nuestro circuito, podemos ver el siguiente dispositivo usado como referencia de tensión: el regulador de tensión. La mayoría de las desventajas de un diodo Zener se pueden eliminar utilizando fuentes de referencia de voltaje integradas. Algunos de ellos se usan de manera similar a los diodos Zener (incluso tienen un símbolo idéntico en el diagrama). Basta con alimentarlos a través de una resistencia de valor apropiado. Los más avanzados también tienen una entrada de voltaje especial y varias salidas. 78L05 Regulador de voltaje 5% 5V 100mA TO-92 WS78L05ACZ - Referencia T0071 Los diseñadores de estas fuentes de voltaje de referencia integradas han intentado eliminar lo que más molesta en los diodos Zener; gracias a esto, fue posible obtener elementos que tienen las siguientes características: hay una pequeña dispersión de voltaje (más barato ± 2%, más caro ± 0,1% o incluso menos), la dependencia de la temperatura es mucho más débil y predecible, se requiere menos corriente para el funcionamiento (algunos solo necesitan 10 μA), la sensibilidad al valor de la corriente que fluye es menor. Un regulador de tensión o regulador de voltaje es un dispositivo electrónico diseñado para mantener un nivel de tensión constante o regulable, en algunos casos, con un circuito integrado. Sin embargo, estos elementos tienen una cierta desventaja: se fabrican solo para unos pocos voltios. A pesar de ello, proporcionas como hemos visto, más ventajas que los Zener, ya que en su interior están altamente diseñados con diversas resistencias y trnasistores. L7805CV Regulador de voltaje 5V 1.5A TO-220 - Referencia T0022 Si realizamos el mismo ejemplo que con el Zener, podremos observar como el resultado de la tensión no varía con respecto a la pulsación del botón. El cambio en la corriente y el voltaje no afecta la lectura en el voltímetro, por lo que el sistema funciona correctamente. Como resultado de usar la fuente de referencia de voltaje integrada, se obtiene un voltaje constante que nuestro circuito podría usar como punto de referencia. El esquema usando un LM385Z-2,5, el cual proporciona una tensión nominal de 2,5V, sería el siguiente, donde dos terminales van al polo negativo de la tierra. ¿Dónde y cuándo es útil un regulador de tensión? Ya sabemos cómo funcionan los reguladores de tensión, estas fuentes de tensión de referencia, pero ¿cuáles son sus aplicaciones prácticas? El mejor ejemplo de esto son las fuentes de alimentación estabilizadas, como puede ser la típica de todo banco de trabajo en un taller. El voltaje en su salida es constante tanto con el cambio de voltaje de suministro (por ejemplo, de la red eléctrica o de la batería) como con el cambio de consumo de corriente. La necesidad de obtener un voltaje estable es muy importante en la electrónica analógica. Sin él, no sería posible, por ejemplo, construir fuentes de alimentación estabilizadas. Hemos probado experimentalmente que algunos elementos son más adecuados para este propósito que otros. Las fuentes de voltaje de referencia pueden no ser un elemento espectacular, pero definitivamente vale la pena conocerlas para comprender mejor algunos problemas. Fuentes: https://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_it/iec_6.pdf https://unicrom.com/referencia-de-voltaje-con-diodo-zener-y-trans/ https://www.arrow.com/es-mx/research-and-events/articles/how-to-choose-a-voltage-reference https://forbot.pl/blog/kurs-elektroniki-ii-zrodla-napiecia-odniesienia-id10331 https://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/7881/mod_resource/content/1/Capitulo_3_-_Circuitos_con_diodos_Diodos_zener.pdf https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/diode/zener-diode.php https://electronics.stackexchange.com/questions/471214/voltage-reference-using-zener-diode-and-transistor