¿Por qué el voltaje de un diodo zener coincide con el voltaje en Vout?

El diodo Zener pasa mucha corriente (tiene una resistencia baja) si el voltaje está por encima de Vz. Entonces, conectado en un circuito como en la pregunta:

1. Si el voltaje en la salida fuera menor que Vz, el diodo no conduciría y (si no hubiera otra carga, el voltaje aumentaría.
2. Si el voltaje en la salida fuera mayor que Vz, el diodo tendría una resistencia baja y cortocircuitaría la salida, lo que significa que el voltaje bajaría (debido a la resistencia en serie).

Entonces, el circuito alcanza un equilibrio de Vout = Vz. Si el voltaje intenta bajar (una carga está conectada), el diodo conduce menos y el voltaje vuelve a subir a Vz. Si el voltaje intenta aumentar (se desconectó la carga), el diodo conduciría más y bajaría el voltaje a Vz.

  

¿Eso tiene que ver con la Ley de Voltaje de Kirchhoff?

Sí, por KVL, \ $ V_ {out} = V_z \ $.

  

¿Cómo hace el diodo zener, si baja 5V a tierra, hace que Vout también sea 5V?

Otra forma de 'ver' es la carga (no se muestra) en paralelo con el diodo zener y, como ya sabe, y mediante KVL, los elementos del circuito conectado en paralelo tienen idénticos voltajes .

El circuito con carga:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Observe que el diodo zener y la carga están conectados en paralelo y, por lo tanto, el voltaje a través de la carga y el voltaje a través del diodo zener son idénticos:

$$ V_ {out} = V_z $$

Pregunta retórica: ¿Cuál es la corriente a través del zener?

Esto podría ayudar:

Como puede ver, una vez que el voltaje alcanza el voltaje del zener (-17.1V en este caso), el zener comienza a conducir mucha corriente, muy rápido.

¿Cuál es el voltaje a través de la resistencia?

Sabemos por la ley de Ohm que el voltaje en la resistencia será \ $ E = IR \ $. Entonces, cuando el zener comience a conducir mucha corriente, la corriente a través de la resistencia también aumentará, y según la ley de Ohm, también lo hará el voltaje a través de la resistencia.

Cuando el voltaje a través de la resistencia aumenta, el voltaje a través del zener debe disminuir (esa es la ley de voltaje de Kirchoff). Si disminuyera demasiado, el zener dejaría de conducir, y entonces no habría corriente, por lo que el voltaje de la resistencia bajaría a cero, y el zener vería de nuevo \ $ V_ {in} \ $ y la conducta.

Por lo tanto, se alcanza un equilibrio: el zener conduce la corriente suficiente para que la caída de voltaje en la resistencia sea igual a \ $ V_ {in} - V_z \ $.

Un regulador Zener como este tiene dos problemas. En primer lugar, puede fluir bastante corriente en la resistencia y el zener, incluso cuando no hay carga conectada. Esto es ineficiente.

En segundo lugar, a medida que la carga consume más corriente, el zener tiene que conducir menos corriente, porque la corriente a través del resistor (que determina el voltaje de salida) es la suma de la corriente zener y la corriente de carga. En algún momento, la carga toma suficiente corriente por sí misma de manera que el Zener no tiene que realizar ninguna. Si la corriente de carga aumenta aún más, la caída de voltaje a través de la resistencia será excesiva y, como el zener no puede generar corriente (solo la sumerge), \ $ V_ {out} \ $ se vuelve menor que \ $ V_z \ $ .

Al hacer un análisis de circuito, puede tratar el diodo Zener como una fuente de voltaje ideal a la tensión Zener. Es importante recordar que una fuente de voltaje ideal restringe el voltaje entre dos puntos en un circuito, sin necesariamente suministrar energía al circuito. Cuando el zener está conduciendo bajo polarización inversa, sabemos que el voltaje a través del zener no cambia mucho en un rango bastante amplio de valores actuales que pasan a través del zener. Por lo tanto, en un rango de corriente limitado, el diodo zener se comporta como una fuente de voltaje ideal. Es lo suficientemente cerca para un d.c. de primer orden análisis.

El diodo Zener es un componente no lineal. Cuando Vin > Vz, y hay una corriente que sigue a través del zener, la caída de voltaje del zener será siempre Vz. La caída de voltaje de la resistencia limitadora de corriente siempre será Vin - Vz, que en su circuito será siempre 9V - 5V = 4V. La caída de tensión de 4 V de la resistencia es independiente de su valor de resistencia. El tamaño de la resistencia solo determina la cantidad de corriente que fluye a través del diodo Zener.

Por ejemplo, si el zener tiene una potencia nominal de 1W, la corriente máxima que puede fluir con seguridad a través del zener es 1/5 = 200 mA. Entonces el valor de la resistencia será (9 - 5) / 0.2 = 20Ω. En caso de que el zener utilizado tenga una potencia de 1 / 2W, pueda pasar con seguridad a través de una corriente de 100 mA, el valor de la resistencia será (9 - 5) / 0.1 = 40Ω. Usando V = IR, la caída de voltaje del resitsor permanece a 4V independientemente de su tamaño. La ley de voltaje de Kirchoff siempre está en juego.

Cuando no hay carga conectada, el diodo zener consumirá toda la corriente. Supongamos que una carga resistiva de 100 of está conectada, la carga consumirá una corriente de 50 mA, el excedente pasará a través del zener. La corriente consumida por el zener será (200 - 50) mA = 150mA y ((100 - 50) mA = 50mA respectivamente en el ejemplo.

Si la carga resistiva es de 25Ω, la corriente de 200 mA pasará a través de ella. Ninguna corriente pasará a través del zener, y el zener ya no es conductor. Con una carga resistiva menor a 25Ω, el zener no conducirá, y la corriente del circuito aumentará, y Vin = Vr + Vload = 9V siempre. El circuito sigue la ley de voltaje de Kirchoff.