Diodo Zener

01 · Punto de partida

Ruptura controlada y útil

Un diodo común muere en inversa; el Zener vive ahí: a partir de su Vz conduce en reversa manteniendo esa tensión casi fija. Con un resistor serie que le garantice corriente, tenés una referencia de tensión de dos piezas. Barata, simple y limitada: para cargas chicas y estables.

Este tema diseña el regulador Zener completo: Rs, corrientes mínima y máxima, potencias y verificación.

• ¿Cómo se conecta: al derecho o al revés?
• ¿Qué corriente necesita para regular?
• ¿Cómo se calcula Rs con carga?
• ¿Cuándo deja de regular?

02 · Circuito

Rs + Zener + carga en paralelo

La fuente alimenta por Rs un nodo a Vz; de ese nodo cuelgan el Zener (a GND) y la carga. La corriente por Rs se reparte: parte a la carga, el resto al Zener. Si la carga toma de más, al Zener le queda poco y deja de regular.

Sin carga, todo va al Zener: 14,4 mA × 5,1 V ≈ 73 mW. Diseñar también para ese caso (el peor para el Zener).

03 · Límites

Cuándo regula y cuándo no

Iz mínima (~1–5 mA)

Debajo, el Zener “se duerme” y Vout cae. Diseñar con Iz ≥ 5 mA a plena carga garantiza regulación.

Iz máxima (Pz/Vz)

Zener 500 mW/5,1 V → 98 mA techo. Sin carga con Rs chica se supera: verificar siempre el caso sin carga.

Carga máxima

Icarga ≤ Itot − Izmin. Con Rs 270: 14,4 − 5 = 9,4 mA máx (el ejemplo va justo: diseñado así).

Eficiencia pobre

Rs quema (Vs−Vz)×Itot siempre: con 9→5,1 a 15 mA son 56 mW + Zener. Para corrientes serias, regulador dedicado (curso 4).

04 · Medición

Verificar la regulación

1. 1
   Vout sin carga.

   Debe dar Vz ±5 % (≈ 5,1 V). Si da Vs (9 V): Zener abierto o al revés.

2. 2
   Vout con carga.

   Debe mantenerse (±2 %): si cae, Iz insuficiente (carga mayor que la diseñada o Rs grande).

3. 3
   Corrientes por Rs.

   V_Rs/Rs = Itot; restar Icarga medida = Iz real. Confirmar Iz en rango.

4. 4
   Tacto.

   Rs y Zener tibios como máximo. Caliente = rediseñar (más R o menos carga).

05 · Diseñador Zener

Rs, corrientes y veredicto

Función de diseño con E12 y verificación con y sin carga:

E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]

def e12_cercano(r):
    cands = [b * d for d in (1, 10, 100, 1000) for b in E12]
    return min(cands, key=lambda x: abs(x - r))


def disenar_zener(vs, vz, i_carga_ma, iz_ma=5.0, pz_mW=500):
    itot = (i_carga_ma + iz_ma) / 1000
    rs = e12_cercano((vs - vz) / itot)
    i_real = (vs - vz) / rs
    iz_full = i_real - i_carga_ma / 1000
    iz_vacio = i_real
    print(f"Rs={rs:.0f} Itot={i_real*1000:.1f}mA Iz(carga)={iz_full*1000:.1f}mA Iz(vacío)={iz_vacio*1000:.1f}mA")
    print(f"P_Rs={(vs-vz)*i_real*1000:.0f}mW Pz_vacío={vz*iz_vacio*1000:.0f}mW (max {pz_mW}mW)")
    ok = iz_full * 1000 >= 2 and vz * iz_vacio * 1000 < pz_mW
    print("Veredicto:", "REGULA" if ok else "REVISAR: Iz baja o Pz excedida")
    return rs


disenar_zener(9, 5.1, 10)
disenar_zener(12, 3.3, 5)

Probá disenar_zener(9, 5.1, 30): ¿sigue regulando? ¿Qué limita?

Carga máxima admisible

Dado Rs ya montado, cuánta carga aguanta antes de perder regulación:

def carga_maxima(vs, vz, rs, iz_min_ma=2.0):
    i_max = ((vs - vz) / rs - iz_min_ma / 1000) * 1000
    print(f"Con Rs={rs}: Icarga máxima ≈ {i_max:.1f} mA (Iz mín {iz_min_ma} mA)")
    return i_max


carga_maxima(9, 5.1, 270)

06 · Analogía programador

Clamp con headroom

1. 1
   Clamp de tensión.

   clamp(v, 0, Vz) en hardware: todo lo que excede se deriva por Rs. Simple y ruidoso como todo clamp.

2. 2
   Iz es el keepalive.

   Corriente mínima para que el clamp responda: sin tráfico de fondo, el mecanismo duerme.

3. 3
   Rs dimensiona el peor caso.

   Vacío (todo al Zener) y plena carga (mínimo al Zener): diseñar para ambos extremos, no para el medio.

07 · Exploración

Laboratorio: diseñar la referencia

Fijá fuente, Zener y carga: el laboratorio calcula Rs E12, Iz con y sin carga, potencias y dictamina regulación.

Preguntas para explorar

1. Subí la carga a 30 mA. ¿Sigue regulando? ¿Qué limita?
2. Elegí Zener 12 V con fuente 9 V. ¿Qué pasa?
3. ¿Por qué sin carga el Zener sufre más?

08 · Comprensión

Confusiones frecuentes

09 · Práctica guiada

Ejercicios de regulación

Ejercicio 1: referencia 3,3 V

Con disenar_zener(9, 3.3, 5): ¿Rs? ¿Iz con/sin carga? ¿P en juego? Dictaminá.

Ejercicio 2: carga máxima del ejemplo

Con carga_maxima(9, 5.1, 270): ¿Icarga máx? ¿Qué pasa si conectás 20 mA?

Ejercicio 3: medir la regulación

Montá 9 V → 5,1 V con 270 Ω. Medí Vout sin carga y con 1k de carga (≈ 5 mA). ¿Se mantiene? Calculá Iz en cada caso.

10 · Síntesis

Ideas para recordar

Referencias clavadas con dos piezas. Ahora, los que conmutan: en el próximo tema, transistor BJT.