Los diodos zener son la forma mas barata de tener una referencia de voltaje fija en un circuito. El problema es justamente eso: son fijos. Si necesitas 3.3V y solo tienes a mano un zener de 2.7V, te quedaste pegado. En este tutorial vas a aprender a construir tu propio zener variable usando solo componentes discretos que ya tienes en el cajon: dos transistores, dos resistencias y un trimpot. Al terminar vas a poder fijar cualquier tension dentro de un rango girando un tornillo, y vas a entender por que funciona.
La idea esta inspirada en un proyecto de T.K. Hareendran publicado en Codrey Electronics. Existe el chip TL431, que es una referencia de precision programable y resuelve esto de fabrica, pero armarlo con transistores es un ejercicio entretenido que ademas te ensena electronica analoga de verdad.
Primero, el zener clasico como regulador
Antes de hacerlo ajustable conviene recordar como trabaja un zener comun de regulador shunt. Es el uso mas tipico del componente: sirve para regulacion local de voltaje en cargas de menos de 200 mW.
El truco esta en la resistencia en serie entre el riel positivo de alimentacion y el zener: esa resistencia limita la corriente que llega tanto al zener como a la carga. Para dimensionar el circuito conviene tener tres ideas claras:
- Elige el zener segun la salida que necesitas: el voltaje zener es la salida (Vz = Vout).
- Define la corriente maxima de salida (Iout_max). El zener tiene que poder absorber la totalidad de esa corriente cuando la carga pide menos.
- La entrada debe ser mayor que el zener: Vin tiene que estar algo por encima de Vz para mantener el diodo en ruptura inversa. Si no, la salida simplemente sigue a la entrada y no hay regulacion.
La resistencia serie se queda con la diferencia de tension que no maneja el zener, o sea Vin menos Vout. Su valor sale directo de la ley de Ohm: divides esa caida de tension por la corriente maxima de salida, es decir (Vin - Vout) / Iout_max. Como el propio zener pide algo de corriente para mantenerse en ruptura, tipicamente del orden de 5 mA, conviene bajar un poco ese valor de resistencia para acomodarla. Y ojo con la potencia: el zener disipa Iout_max multiplicado por Vz, asi que ese numero define cuanto aguanta el diodo.
Hasta aca todo es el zener de siempre. Lo interesante viene cuando reemplazamos ese diodo fijo por algo que podamos ajustar.
El zener variable con dos transistores
El circuito de abajo es una adaptacion libre de un diseno muy conocido que agrega flexibilidad respecto a un zener comun. Lo bueno: se arma facil en una protoboard chica y maneja corrientes de hasta 100 mA de forma segura.
La lista de materiales del nucleo es corta:
- R1: 1 KΩ
- R2: 1 KΩ
- VR1: trimpot de 10 KΩ (se recomienda multivuelta para ajustar fino)
- T1: S8550 (transistor PNP)
- T2: S8050 (transistor NPN)
La magia esta en como los dos transistores se vigilan mutuamente. El trimpot VR1 reparte una fraccion de la tension de salida y la entrega a la base de T1. Cuando la salida intenta subir, T1 conduce mas, lo que ajusta la corriente de base de T2, y entre los dos sostienen el voltaje en el punto que fijaste con el trimpot. Es como un zener cuya tension de ruptura la decides tu girando un tornillo. Por eso, a diferencia de un zener fijo, este reacciona de forma activa: no se limita a recortar, sino que regula.
Un detalle util de entender es por que se usa un par complementario (un PNP y un NPN). T2, el NPN, es el que conduce la corriente principal hacia la carga; T1, el PNP, hace de sensor y compara la salida real contra la referencia del trimpot. Esa pareja forma un lazo de realimentacion simple pero elegante: cualquier cambio en la salida se corrige solo.
Armado y prueba en protoboard
Una vez que tienes el esquematico claro, el armado es directo. Aca esta el prototipo del autor en protoboard, con el trimpot azul a la izquierda y los dos transistores con sus resistencias:
Para la prueba, el circuito se alimento con una bateria de 6V a traves de una resistencia serie de 100 Ω / 1 W. Girando el trimpot se logro fijar la salida en 2.7V y tambien en 3.3V de forma estable. Eso confirma lo importante: el mismo hardware te da multiples tensiones de referencia sin cambiar ni un componente, solo ajustando VR1.
Un par de consejos practicos al armarlo:
- Si la salida no se mueve al girar el trimpot, revisa la orientacion de los transistores. Confundir el pinout de un TO92 es el error mas comun y silencioso.
- Usa siempre el multimetro en la salida mientras ajustas. El ojo no detecta decimas de volt, el tester si.
- Mantente dentro de los 100 mA. Por encima de eso el circuito ya no es seguro y necesitarias una etapa de potencia aparte.
Armar un zener variable es una tarea razonablemente facil y es una eleccion ingeniosa para circuitos chicos que solo piden unos pocos miliamperes. Su funcionamiento es un poco enredado pero elegante una vez que lo interpretas.
Variantes y mejoras
El circuito base ya es util, pero hay varias formas de llevarlo mas lejos que no estaban en el proyecto original:
- Referencia mas precisa con TL431: si lo que buscas es estabilidad termica y precision, reemplaza todo el bloque de transistores por un TL431. Pierdes el lado didactico, pero ganas una referencia ajustable de fabrica con tolerancia mucho menor.
- Salida con mas corriente: para pasar de los 100 mA, agrega un transistor de potencia tipo TIP120 o un MOSFET en la salida, usando este circuito solo como la referencia que controla la etapa de potencia.
- Voltaje fijo y repetible: cuando ya encontraste tu tension ideal con el trimpot, mide la resistencia efectiva y reemplaza VR1 por dos resistencias fijas. Asi obtienes siempre el mismo valor sin riesgo de que alguien mueva el tornillo por accidente.
Personalizacion para Chile
En Chile puedes armar este proyecto completo con componentes en stock local de MechatronicStore. El componente clave que define el rango de ajuste es el trimpot multivuelta, y lo tenemos en el valor exacto que pide el tutorial:
- Trimpot multivuelta 3296 10K (SKU 133483) por unos $450 CLP. Es justo el VR1 multivuelta que recomienda el original para ajustar fino.
Para los transistores complementarios S8050 (NPN) y S8550 (PNP) no es necesario el numero de parte exacto: son BJT de senal pequena en encapsulado TO92, asi que cualquier par complementario equivalente sirve. En el catalogo, el BC548 (NPN) y el BC557 (PNP) cumplen la misma funcion a unos $200 CLP cada uno. Si prefieres otra familia, el par 2N3904 (NPN) y 2N3906 (PNP) tambien funciona.
Para R1 y R2 de 1 KΩ y la resistencia serie, el Pack 600 resistencias con 30 valores te deja surtido para este proyecto y los proximos. Y para el armado, una protoboard 830 puntos con un set de cables macho macho completa la mesa de trabajo.
Recursos
- Tutorial original: Variable Zener Diode DIY por T.K. Hareendran en Codrey Electronics.
- Lectura complementaria: hoja de datos de cualquier diodo zener y del chip de referencia TL431 para comparar contra la version comercial.
Version chilena con componentes en stock local en MechatronicStore.
