¿Cuáles son las desventajas de usar un diodo Zener sobre un regulador de voltaje lineal?

1) Cuando se utiliza un diodo Zener como elemento de regulación como en este circuito:

la desventaja es que el circuito debe configurarse de manera que siempre fluya algo de corriente a través del diodo zener. El diodo zener actúa como un regulador de derivación , "quema" la corriente que "sobra" en lugar de limitar la corriente que fluye cuando se necesita poca corriente. Cuando la carga no toma corriente, toda la corriente que no toma la carga tiene que pasar por el zener. Eso desperdicia poder. En la práctica, este circuito solo es adecuado para cargas que consumen una corriente baja y preferiblemente también una corriente algo constante.

¿Por qué usaría este circuito entonces?

Bueno, es barato .

Un regulador lineal como el LM7805 o un circuito basado en zener + transistor como este:

forman un regulador en serie (no en derivación). Estos reguladores tienen la ventaja de que consumen solo la corriente necesaria. Cuando la carga no toma corriente, solo se utiliza una pequeña cantidad de energía.

Estos circuitos son un poco más caros ya que se necesita un transistor o un chip regulador de voltaje como el LM7805.

2) Decir que el LM7805 es un mal regulador porque simplemente "quema" el exceso de energía no cuenta toda la historia . El LM7805 (y LM317 y similares) todavía se usan mucho , por lo que claramente tienen su propósito.

El hecho es que para cargas que no necesitan mucha corriente, digamos hasta 100 mA, estos reguladores lineales son una buena opción .

Solo cuando necesita (mucha) más corriente, entonces podría ser más eficiente (menos energía convertida en calor) cuando se usa un regulador de conmutación . Un ejemplo típico de cuándo usar un regulador de conmutación es convertir 12 V (batería de automóvil o panel solar) a 5 V (USB) para alimentar dispositivos. Entonces podría ser necesaria una corriente de hasta 2 A. A 12 V, 2 A, un regulador lineal necesitará "quemar" 7 V a 2 A, eso es 14 vatios, lo que requiere un disipador de calor sustancial. Incluso un regulador conmutado barato como un LM2596 puede hacerlo de manera mucho más eficiente sin el gran disipador de calor.

Así que no piense que alguna solución de circuito siempre es mejor que otra. Es más complejo que eso. Cuál es la solución más óptima depende de lo que se necesite. Como el voltaje de entrada, la corriente en la carga, el costo, etc. En el mundo real, los ingenieros usan todas las soluciones que he mostrado aquí, eligen la que mejor se adapta a una situación determinada.

Si entiendo correctamente, este fenómeno ocurrirá solo cuando el diodo Zener esté conectado con la carga en paralelo. ¿Qué pasa si conecto mi diodo Zener con mi carga en paralelo?

Entonces tienes la situación que has descrito. El diodo Zener tiene que pasar o "desviar" toda la corriente no consumida por la carga.

Además, alguien dijo que el regulador de voltaje lineal (por ejemplo, LM7805) no es un buen regulador de voltaje ya que la potencia que se disipa en él es mucho mayor que la del regulador de voltaje de conmutación.

Es un buen regulador porque regula bien el voltaje y ese es su trabajo. No es un regulador eficiente y los reguladores de conmutación son mejores desde ese punto de vista.

Según tengo entendido, la potencia disipada en un regulador de voltaje lineal se puede calcular mediante el voltaje de caída x corriente. Potencia convertida en calor.

Correcto. Pero tenga en cuenta que cuando se requiere poca corriente, la disipación de energía disminuye en proporción. Mientras tanto, la disipación de potencia Zener aumentaría con la disminución de la carga.

¿Qué pasa si conecto mi Diodo Zenzer con mi carga en serie?

Luego, su carga recibe una caída de voltaje fija del suministro. Digamos que tiene un suministro que varía de 8 a 12 V y pone un Zener de 4,7 V en serie, entonces su carga obtendría 3,3 V a 7,3 V con ese suministro. Eso no sería considerado un regulador de voltaje.

Esto es más como un comentario extendido sobre la respuesta de @Bimpelrekkie que realmente una respuesta en sí misma. Voy a describir un par de casos más en los que un regulador lineal puede tener más sentido que un regulador de conmutación.

@Bimpelrekkie señaló que un regulador lineal puede tener sentido cuando no consume mucha corriente. Agregaría que también puede tener sentido cuando el voltaje de entrada está muy cerca del voltaje de salida. Por ejemplo, hace años diseñé un pequeño circuito que usaba piezas de 3,3 V y necesitaba conectarse a un sistema que admitiera dispositivos de bus CAN con un suministro de 3,5 V. Podría (en el peor de los casos) consumir alrededor de 2 amperios, pero dado que solo estaba cayendo 0,2 voltios, la potencia máxima disipada en el regulador fue de alrededor de 400 mW. Esto (como la mayoría de las "cosas" del bus CAN) estaba en un automóvil, por lo que el consumo de energía adicional no fue un gran problema en sí mismo.

Segundo punto: un regulador lineal produce una salida mucho más "limpia". Un regulador de conmutación básicamente hace PWM, por lo que tiene pulsos de voltaje que salen del interruptor. Luego pasa eso a través de un filtro para suavizarlo a algo que se acerque a un voltaje de CC constante, pero aún así termina con algo de ondulación. El nivel de ondulación puede variar según la corriente que esté consumiendo (y tiende a ser inversamente proporcional al consumo de corriente, ya que un consumo reducido significa un ciclo de trabajo reducido). Particularmente para algunos circuitos analógicos, es posible que casi necesite un regulador lineal para reducir la ondulación a un nivel aceptable.

Ponerlos juntos conduce a un diseño bastante común: comience con un regulador de conmutación para obtener su voltaje muy cerca (pero solo un poco más alto) de lo que necesita. Luego siga eso con un regulador lineal que solo tiene que eliminar la ondulación. Entre los dos, puede obtener una salida extremadamente limpia y sin fluctuaciones, pero aún así mantener la disipación de energía al mínimo (aunque a expensas de un regulador algo más grande y complejo).

1. Si entiendo correctamente, este fenómeno ocurrirá solo cuando el diodo Zener esté conectado con la carga en paralelo. ¿Qué sucede si conecté mi diodo Zener con mi carga en serie?

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Si usa un diodo Zener en serie, en realidad desregulará su carga. Dado que la caída de Zener (Vin-Vout) será bastante constante (si llega a sus condiciones de operación), entonces el resto de su fuente no regulada (Vin) caerá en su carga (Vout), que es lo opuesto a lo que usted desear.

2. Además, alguien dijo que los reguladores de voltaje lineales (por ejemplo, LM7805) no son buenos reguladores de voltaje ya que la potencia disipada en ellos es mucho mayor que la de los reguladores de voltaje de conmutación. Según tengo entendido, la potencia disipada en un regulador de voltaje lineal se puede calcular mediante el voltaje de caída x corriente = potencia convertida en calor.

El LM7805 es un regulador muy antiguo. Sin embargo, sigue siendo un muy buen regulador en lo que hace: proporciona un regulador con menor disipación de potencia que un diodo Zener, en un paquete pequeño y con un número de componentes pequeño (lo que también significa un espacio de placa pequeño, especialmente considerando cuándo se introdujo por primera vez), bajo ruido de salida y muy barato . ¡Especialmente para la parte barata!

Si prefiere una de esas características en particular, puede elegir otros reguladores. Si desea una disipación de energía aún menor, si su necesidad actual es lo suficientemente alta , un regulador de conmutación podría ser una mejor opción, pero tiene la desventaja de tener un mayor ruido y EMI, es más costoso y requiere más partes externas, especialmente el inductor. Si desea más pequeño, hay otros reguladores más nuevos que se adaptan mejor, aunque generalmente admiten corrientes más bajas. Si quiere más barato, el Zener podría ser una mejor opción, pero obtiene un uso de corriente constante, sin importar si su carga lo usa o no, lo cual es malo si opera con baterías.

Y hablando de reguladores más nuevos, hay algunos reguladores lineales que son mucho mejores que el LM7805, en cuanto a capacidad de potencia, menor corriente de reposo, tamaño y otras cosas. Sin embargo, difícilmente serán más baratos.

¿Qué sucede si conecté mi diodo Zener con mi carga en serie?

Esta es otra aplicación útil del diodo Zener que actúa como elemento estabilizador de voltaje . En sentido figurado podemos nombrarlo cambio de voltaje . Aquí hay algunas explicaciones de este truco de circuito.

Primero, podemos pensar en el diodo Zener como una fuente de voltaje constante ("batería") que está conectada en dirección opuesta en serie a la fuente de voltaje de entrada (fuente de alimentación). Entonces, su voltaje se resta del voltaje de entrada... y cuando este último varía, el voltaje en la carga variará de la misma manera. Así, la "batería" transfiere las variaciones de voltaje de entrada a la carga. Esta configuración se puede utilizar para reducir el voltaje de un voltaje de entrada constante. Los condensadores de acoplamiento de salida en los amplificadores de CA actúan de esta manera.

Pero los diodos Zener no son verdaderas fuentes en el sentido de que no producen energía (voltaje); consumen energía (voltaje). Entonces, el punto de vista más correcto es pensar en ellos como "resistencias dinámicas". Cuando varía la corriente de carga IL, cambian su resistencia estática Rz de forma que para mantener constante el producto de ambas variables (la tensión Vz) - Vz = IL.Rz. Por ejemplo, si Il aumenta, Rz disminuye con la misma tasa... entonces Vz = const.

¿Qué sucede si conecté mi diodo Zener con mi carga en serie?

Esta es otra aplicación útil del diodo Zener que actúa como elemento estabilizador de voltaje . En sentido figurado podemos nombrarlo cambio de voltaje . Aquí hay algunas explicaciones de este truco de circuito.

"Batería". Primero, podemos pensar en el diodo Zener como una fuente de voltaje constante ("batería") que está conectada en dirección opuesta en serie a la fuente de voltaje de entrada (fuente de alimentación). Entonces, su voltaje se resta del voltaje de entrada... y cuando este último varía, el voltaje en la carga variará de la misma manera. Así, la "batería" transfiere las variaciones de voltaje de entrada a la carga. Esta configuración se puede usar para reducir el voltaje de un voltaje de entrada constante o para "reducir" el voltaje de una fuente de voltaje variable (los capacitores de acoplamiento de salida en los amplificadores de CA actúan de esta manera). Tenga en cuenta que el voltaje de entrada solo se puede reducir, en contraste con la batería real.

"Resistencia dinámica". Pero los diodos Zener no son verdaderas fuentes en el sentido de que no producen energía (voltaje); consumen energía (voltaje). Entonces, el punto de vista más correcto es pensar en ellos como "resistencias dinámicas". Cuando varía la corriente de carga IL, cambian su resistencia estática Rz de forma que para mantener constante el producto de ambas variables (la tensión Vz) - Vz = IL.Rz. Por ejemplo, si Il aumenta, Rz disminuye con la misma tasa... entonces Vz = const.

"Divisor de voltaje dinámico". Desde este punto de vista aún más sofisticado, la combinación del diodo Zener y la carga puede considerarse como un "divisor de voltaje dinámico". Cuando la resistencia de carga RL varía, la resistencia Zener varía en la misma dirección, por lo que la relación divisoria Rz/(RL + Rz) = const.