Caso práctico: Diodo Zener como regulador de voltaje

Prototipo de Diodo Zener como regulador de voltaje (Maker Style)

Nivel: Medio. Diseñar y verificar un circuito estabilizador de voltaje utilizando un diodo Zener bajo variaciones de carga.

Objetivo y caso de uso

En esta sesión, construirás un regulador de voltaje en paralelo (shunt) utilizando un diodo Zener y una resistencia limitadora en serie para mantener una salida fija de 5.1 V desde una fuente de 9 V.

  • Por qué es útil:
    • Proporciona un voltaje de referencia estable para Convertidores Analógico-Digitales (ADCs).
    • Protege componentes sensibles aguas abajo (como microcontroladores) de picos de sobrevoltaje.
    • Regula el voltaje para circuitos de baja potencia sin la complejidad de un CI regulador.
  • Resultado esperado:
    • El voltaje de salida (VOUT) permanece fijado aproximadamente a 5.1 V a pesar de que la entrada sea de 9 V.
    • Conectar una carga moderada (470 Ω) disminuye la corriente del Zener pero mantiene VOUT en 5.1 V.
    • Si la resistencia de carga se vuelve demasiado baja, la regulación falla y VOUT cae por debajo de 5.1 V.
  • Público objetivo: Estudiantes de electrónica, Nivel: Medio.

Materiales

  • V1: Fuente de voltaje de 9 V DC, función: alimentación principal.
  • R1: Resistencia de 220 Ω, función: limitación de corriente en serie (RS).
  • D1: Diodo Zener 1N4733 A (5.1 V, 1 W), función: regulador de voltaje en paralelo (shunt).
  • R2: Resistencia de 470 Ω, función: simulación de carga (RL).
  • M1: Multímetro (modo Voltímetro), función: medir voltaje de salida.
  • M2: Multímetro (modo Amperímetro), función: medir corriente del Zener (IZ).

Guía de conexionado

Construye el circuito utilizando las siguientes conexiones y nombres de nodo SPICE (VIN, VOUT, 0):

  • V1 (Fuente 9 V): Conecta el terminal Positivo al nodo VIN y el terminal Negativo al nodo 0 (GND).
  • R1 (Resistencia en Serie): Conecta un terminal a VIN y el otro terminal al nodo VOUT.
  • D1 (Diodo Zener): Conecta el Cátodo (extremo con la banda) al nodo VOUT y el Ánodo al nodo 0.
  • R2 (Resistencia de Carga): Conecta un terminal a VOUT y el otro terminal al nodo 0.
  • Mediciones:
    • Para medir VOUT: Conecta la sonda Positiva del Voltímetro a VOUT y la sonda Negativa a 0.
    • Para medir IZ: Interrumpe la conexión entre el Cátodo de D1 y VOUT, e inserta el Amperímetro en serie (Positivo a VOUT, Negativo al Cátodo de D1).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Zener Voltage Regulator
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ SOURCE ]                 [ LIMITING ]                     [ REGULATION, LOAD & MEASUREMENT ]

                                                                           (Branch 1: Regulation)
                                        +---> [ Ammeter M2 ] --> [ D1: Zener 5.1 V ] --> GND
                                                                 |     (Measure Iz)       (Shunt Regulator)
                                                                 |
    [ V1: 9 V DC ] --(VIN)--> [ R1: 220 Ohm ] --(Node VOUT)--> ---+
    (Main Power)             (Series Resistor)                   |         (Branch 2: Load)
                                        +---> [ R2: 470 Ohm ] ------------------------> GND
                                                                 |     (Load Simulation)
                                                                 |
                                                                 |         (Branch 3: Monitoring)
                                                                 +---> [ Voltmeter M1 ] -----------------------> GND
                                                                       (Measure Vout)
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el diseño del regulador:

  1. Prueba de circuito abierto (sin carga):

    • Desconecta temporalmente R2.
    • Mide el voltaje en VOUT. Debería leer aproximadamente 5.1 V.
    • Calcula la corriente que fluye a través del Zener: IZ = (VIN – VZ) / R1. Espera ≈ 17.7 mA.

  2. Prueba de regulación de carga:

    • Vuelve a conectar R2 (470 Ω) entre VOUT y 0.
    • Mide VOUT nuevamente. Debería permanecer estable en 5.1 V.
    • Observa la corriente del Zener. Debería disminuir porque parte de la corriente ahora se desvía a través de la carga RL.
    • Corriente de carga esperada (IL): 5.1 V / 470 Ω ≈ 10.8 mA.
    • Corriente restante del Zener: ≈ 17.7 mA – 10.8 mA = 6.9 mA. Dado que IZ > 0, la regulación se mantiene.

  3. Prueba de sobrecarga (Simulación):

    • Reemplaza R2 con una resistencia de 100 Ω (si está disponible) o simula un corto.
    • Mide VOUT. El voltaje caerá significativamente por debajo de 5.1 V porque la carga demanda más corriente de la que R1 puede suministrar manteniendo el voltaje de ruptura del Zener.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Zener Diode as a Voltage Regulator

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source (Main Supply)
V1 VIN 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor (Series Current Limiting)
* Wiring: Connect one terminal to VIN and the other to VOUT
R1 VIN VOUT 220

* R2: 470 Ohm Resistor (Load Simulation)
* Wiring: Connect one terminal to VOUT and the other to 0 (GND)
R2 VOUT 0 470

* M1: Multimeter (Voltmeter mode)
* Wiring: Positive probe to VOUT, Negative probe to 0
* Implementation: High impedance resistor to simulate voltmeter load
R_M1_Voltmeter VOUT 0 10Meg

* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Zener Diode as a Voltage Regulator

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source (Main Supply)
V1 VIN 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor (Series Current Limiting)
* Wiring: Connect one terminal to VIN and the other to VOUT
R1 VIN VOUT 220

* R2: 470 Ohm Resistor (Load Simulation)
* Wiring: Connect one terminal to VOUT and the other to 0 (GND)
R2 VOUT 0 470

* M1: Multimeter (Voltmeter mode)
* Wiring: Positive probe to VOUT, Negative probe to 0
* Implementation: High impedance resistor to simulate voltmeter load
R_M1_Voltmeter VOUT 0 10Meg

* M2: Multimeter (Ammeter mode)
* Wiring: Inserted in series between VOUT and D1 Cathode
* Positive to VOUT, Negative to D1 Cathode (Node: VZ_CATHODE)
* Implementation: 0V DC source to measure current
V_M2_Ammeter VOUT VZ_CATHODE DC 0

* D1: 1N4733A Zener Diode (5.1 V, 1 W)
* Wiring: Cathode to VZ_CATHODE, Anode to 0
* Note: Cathode is connected to VOUT through the Ammeter
D1 0 VZ_CATHODE D1N4733A

* --- Models ---
* Model for 1N4733A Zener Diode
* BV=5.1V (Breakdown Voltage), IBV=49mA (Test Current)
.model D1N4733A D(IS=2.5n RS=1 N=1.2 BV=5.1 IBV=49m)

* --- Analysis ---
* Transient analysis (1ms simulation time)
.tran 1u 1ms

* --- Output Directives ---
* Print voltages and Zener current (Iz)
.print tran V(VIN) V(VOUT) I(V_M2_Ammeter)

* Operating Point for initial check
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1008 rows) 
Index   time            v(vin)          v(vout)         v_m2_ammeter#br
0	0.000000e+00	9.000000e+00	5.047821e+00	7.223902e-03
1	1.000000e-08	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
2	2.000000e-08	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
3	4.000000e-08	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
4	8.000000e-08	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
5	1.600000e-07	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
6	3.200000e-07	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
7	6.400000e-07	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
8	1.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
9	2.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
10	3.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
11	4.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
12	5.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
13	6.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
14	7.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
15	8.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
16	9.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
17	1.028000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
18	1.128000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
19	1.228000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
20	1.328000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
21	1.428000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
22	1.528000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
23	1.628000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
... (984 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Invertir el diodo Zener:
    • Error: Conectar el Ánodo a VOUT y el Cátodo a GND.
    • Resultado: El circuito se comporta como un diodo estándar, fijando la salida a ≈ 0.7 V en lugar de 5.1 V.
    • Solución: Asegúrate de que el extremo con la banda (Cátodo) esté conectado al potencial positivo (VOUT).
  2. Usar una resistencia en serie (R1) con una resistencia demasiado alta:
    • Error: Usar 10 kΩ en lugar de 220 Ω para R1.
    • Resultado: Cuando se conecta la carga (R2), el voltaje cae inmediatamente; el Zener se apaga porque no hay suficiente corriente para mantenerlo en ruptura.
    • Solución: Calcula R1 de tal manera que fluya suficiente corriente para satisfacer tanto la carga como la corriente de polarización mínima del Zener (IZK).
  3. Exceder la potencia nominal del Zener:
    • Error: Quitar la carga mientras se usa una R1 muy pequeña.
    • Resultado: Toda la corriente fluye a través del Zener, causando que se sobrecaliente y potencialmente se queme.
    • Solución: Asegúrate de que PZ = VZ × Izmax sea menor que la potencia nominal del diodo (por ejemplo, 1 W).

Solución de problemas

  • Síntoma: El voltaje de salida es igual al voltaje de entrada (9 V).
    • Causa: El diodo Zener está abierto (roto) o no conectado.
    • Arreglo: Verifica las conexiones a D1 o reemplaza el diodo.
  • Síntoma: El voltaje de salida es ≈ 0.7 V.
    • Causa: El diodo Zener está conectado en polarización directa (al revés).
    • Arreglo: Invierte la orientación del diodo.
  • Síntoma: La salida es 5.1 V sin carga, pero cae a 3 V (o menos) cuando se conecta la carga.
    • Causa: La resistencia de carga es demasiado baja (demanda demasiada corriente) o R1 es demasiado alta.
    • Arreglo: Aumenta la resistencia de carga o recalcula R1 para una mayor entrega de corriente (vigilando los límites de potencia).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Transistor de paso en serie: Añade un transistor NPN (como un 2N2222) con el Zener controlando la base. Esto crea un Regulador de Voltaje en Serie capaz de manejar corrientes de carga mucho más altas.
  2. Filtrado: Añade un condensador (por ejemplo, 10 µF) en paralelo con el diodo Zener para filtrar el ruido y mejorar la estabilidad de la referencia de voltaje.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el propósito principal del diodo Zener en el circuito descrito?




Pregunta 2: ¿Qué función cumple la resistencia R1 de 220 Ω en el diseño?




Pregunta 3: Si la fuente de entrada es de 9 V y el Zener es de 5.1 V, ¿cuál es el voltaje esperado en la salida (Vout) en condiciones normales?




Pregunta 4: ¿Qué sucede con la corriente del Zener (Iz) cuando se conecta una carga moderada de 470 Ω?




Pregunta 5: ¿Qué componente se utiliza para simular la carga (RL) en este experimento?




Pregunta 6: Según el resultado esperado, ¿qué ocurre si la resistencia de carga es demasiado baja?




Pregunta 7: ¿Cuál es una aplicación útil mencionada para este tipo de circuito?




Pregunta 8: ¿Qué modelo de diodo Zener se especifica en la lista de materiales?




Pregunta 9: ¿Para qué se utiliza el multímetro M2 en este circuito?




Pregunta 10: ¿Por qué se considera útil este circuito para microcontroladores?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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