Stabilizator napięcia z diodą Zenera

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Opracował zespół: Marek Panek, Waldemar Oleszkiewicz, Ryszard Korbutowicz, Iwona
Zborowska-Lindert, Bogdan Paszkiewicz, Małgorzata Kramkowska, Zdzisław Synowiec,
Beata Ściana, Irena Zubel, Tomasz Ohly, Bogusław Boratyński
Ćwiczenie nr 4
Stabilizator napięcia z diodą Zenera
I. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania
- Budowa złącza p-n oraz charakterystyka I-U
- Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera.
- Efekt Zenera i efekt powielania lawinowego - wyjaśnić na modelu pasmowym.
- Parametry katalogowe diody stabilizacyjnej
- Schemat i zasada działania stabilizatora napięcia z diodą Zenera
II. Program zajęć
- Pomiar charakterystyki I-U diody Zenera.
- Projekt układu stabilizatora napięcia
- Pomiary współczynnika stabilizacji napięcia zbudowanego układu
III. Literatura
1. Notatki z WYKŁADU
2. W. Marciniak - Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone
3. A. Świt, J. Pułtorak - Przyrządy półprzewodnikowe
4. Poradnik InŜyniera Elektronika
Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą
urządzeń elektrycznych.
1
Wiadomości wstępne
1.1
Przebicie złącza p-n
Przy polaryzacji zaporowej złącza p-n zaleŜność I-U daje się opisać wzorem
Shockley’a tylko dla ograniczonych wartości napięcia polaryzacji. Po przekroczeniu pewnego
napięcia krytycznego następuje przebicie złącza p-n, czyli gwałtowny wzrost natęŜenia
płynącego prądu, podczas gdy napięcie na złączu zmienia się w bardzo niewielkim stopniu.
Dwa podstawowe mechanizmy powodujące przebicie złącza to zjawisko Zenera i zjawisko
powielania lawinowego nośników.
Efekt Zenera polega na tunelowym przejściu elektronu (tzn. bez zmiany energii)
z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Występuje on przede
wszystkim w półprzewodnikach silnie domieszkowanych gdzie w cienkim obszarze warstwy
zuboŜonej złącza p-n, występuje silne pole elektryczne (≈108 V/m).
W
warstwa
zuboŜona
n
Wg
p
WC
WF
WV
Rys. 1. Model pasmowy złącza p-n z zaznaczonym efektem Zenera – tunelowe przejście
elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa.
W
warstwa
zuboŜona
n
Wg
p
WC
WF
WV
Rys. 2. Model pasmowy złącza p-n z zaznaczonym zjawiskiem powielania lawinowego wzrost liczby nośników prądu w warstwie zaporowej.
Zjawisko powielania lawinowego polega na powielaniu nośników prądu w warstwie
zuboŜonej złącza p-n, w wyniku zderzeń elektronów z atomami sieci krystalicznej. Powoduje
to zerwanie wiązania kowalencyjnego i powstanie swobodnego elektronu oraz swobodnej
dziury. Efekt ten występuje w złączu słabo domieszkowanym kiedy grubość złącza znacznie
przekracza średnią drogę swobodną elektronu, a więc istnieje duŜe prawdopodobieństwo
uzyskania duŜej energii przez elektron w polu elektrycznym złącza.
2
Przebicie złącza p-n wykorzystuje się w diodach stabilizacyjnych, zwanych teŜ
diodami Zenera słuŜących m.in. do budowy układów stabilizatorów napięcia.
1.2
Charakterystyka prądowo napięciowa diody Zenera
Podczas polaryzacji w kierunku przewodzenia krzemowa dioda Zenera zachowuje się
tak jak kaŜda dioda, tzn. spadek napięcia na niej jest niewielki i wynosi ok. 0,6÷0,7 V. Przy
polaryzacji zaporowej, dla pewnej wartości napięcia – zaleŜnej od konstrukcji diody
(domieszkowania) – występuje gwałtowny wzrost natęŜenia prądu i bardzo niewielka zmiana
napięcia. Tę właściwość wykorzystuje się stosując diodę Zenera jako element stabilizacyjny,
tzn. zapewniający prawie stałą wartość napięcia na zaciskach niezaleŜną od natęŜenie
przepływającego prądu. Dla diod o napięciu przebicia w zakresie 2÷5 V dominuje efekt
Zenera, a dla diod o napięciu przebicia powyŜej 10V dominuje zjawisko powielania
lawinowego.
I
UZ
UZmax UZmin
U
IZmin
I1
U1
Pmax
I2
U2
rz =
dU U 2 − U 1
≅
dI
I 2 − I1
hiperbola mocy
admisyjnej
IZmax
Rys. 3. Charakterystyka diody Zenera przy polaryzacji zaporowej
Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę diody Zenera spolaryzowanej
w kierunku zaporowym wraz z jej podstawowymi parametrami:
UZ – napięcie Zenera,
IZmin – minimalny prąd wsteczny (przy mniejszych wartościach prądu dioda nie
ma właściwości stabilizacyjnych),
IZmax – maksymalny prąd wsteczny (przy większych wartościach prądu dioda
moŜe ulec uszkodzeniu),
rz – rezystancja dynamiczna diody w zakresie przebicia złącza.
Przykładowe oznaczenie diody Zenera: BZP 620 - C3V3
Pierwsza litera oznacza materiał, z jakiego wykonana została dioda (B – krzem), litera
druga mówi o rodzaju diody (Z – dioda Zenera), litera trzecia, opcjonalna (P – wykonanie
polskie). Kolejne trzy cyfry oznaczają typ diody. Czwarta litera oznacza tolerancję
nominalnego napięcia przebicia (UZnom) diody:
C - tolerancja 5%
czyli: UZ = UZnom ± 5%UZnom
D - tolerancja 10%
UZ = UZnom ± 10%UZnom
Ostatnie trzy znaki mówią o nominalnym napięciu stabilizacji diody, 3V3 – oznacza
3,3 V (znak V oznacza przecinek). Zwykle napięcie nominalne podawane jest dla 0,1 IZmax .
3
1.3
Projekt stabilizatora z diodą Zenera
Na rys. 4 pokazano podstawowy schemat układu stabilizatora opartego na diodzie
Zenera. Na rys. 5 przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową diody dla polaryzacji
zaporowej (2), charakterystykę I-U rezystora obciąŜenia R0 (1) oraz wynikową
charakterystykę I-U układu z obciąŜeniem R0 dołączonym równolegle do diody Zenera na
wyjściu układu stabilizatora (3). Całkowity prąd w rezystorze Rs jest sumą prądu płynącego
przez diodę i obciąŜenie. Linią przerywaną naniesiono proste pracy wynikające z moŜliwych
do przyjęcia wartości rezystora szeregowego Rs oraz szczytowych wartości napięcia
wejściowego, tzn. amplitud ∆Uwe (napięcia tętnienia) „nałoŜonych” na poziom napięcia
stałego Uwe. Linie te definiują dopuszczalny zakres połoŜenia faktycznej prostej pracy.
Chwilowa wartość punktu pracy znajduje się zawsze w punkcie przecięcia prostej pracy i
charakterystyki I-U diody.
Zadaniem układu jest zmniejszenie amplitud napięcia wejściowego (∆
∆Uwy) do
niewielkich amplitud (∆
∆Uwy) napięcia wyjściowego, które jest napięciem stabilizowanym.
≈
±∆
Rys. 4. Schemat układu stabilizatora opartego na diodzie Zenera
Uwe+∆Uwe Uwe
U
Uwe- ∆Uwe
IZmin
1
R0
RS max
1
1 charakterystyka obciąŜenia
RS min
2
prosta
pracy
2 charakterystyka diody Zenera
3
3 charakterystyka wypadkowa
IZmax
I
Rys. 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa stabilizatora z diodą Zenera
Zmiana napięcia wejściowego Uwe o ±∆Uwe powoduje zmianę połoŜenia punktu pracy
na charakterystyce wypadkowej stabilizatora. Aby układ stabilizował punkt pracy powinien
“poruszać się” w dopuszczalnym zakresie prądów Izmax ÷ Izmin. PoniŜej wartości Izmin układ
4
traci własność stabilizacji (zmiana kształtu charakterystyki diody), zaś powyŜej wartości Izmax
występuje niebezpieczeństwo termicznego zniszczenia diody (przekroczenie mocy
dopuszczalnej). Wartość rezystora szeregowego Rs decyduje o nachyleniu faktycznej prostej
pracy, a więc decyduje o prawidłowej pracy stabilizatora.
Zadanie właściwego zaprojektowania stabilizatora sprowadza się głównie do
problemu prawidłowego dobrania wartości Rs (przy danych wartościach R0, UZ i Uwe).
Jakość stabilizacji napięcia charakteryzuje współczynnik stabilizacji zdefiniowany
jako stosunek względnej zmiany napięcia wyjściowego do względnej zmiany napięcia
wejściowego, czyli:
∆U wy
k=
Oczywiste jest Ŝe, im k ma mniejszą wartość tym lepsza
jest stabilizacja układu (typowe wartości: k=0,02÷0,05).
U wy
∆U we
U we
Układ zastępczy stabilizatora dla składowej zmiennej napięcia ∆U (czyli tętnienia,
które stabilizator ma zmniejszyć) ma postać jak na rys. 6. Dioda Zenera jest przedstawiona za
pomocą jej modelu zastępczego dla małych sygnałów, czyli rezystancji rz .
RS
∆Uwe
rZ
R0
∆Uwy
Rys. 6. Układ zastępczy stabilizatora dla składowej zmiennej napięcia
Rezystancje Rs oraz równolegle połączone rz||R0 tworzą dzielnik napięcia. Na podstawie
analizy powyŜszego układu moŜna napisać, Ŝe:
∆U wy
∆U we
rz ⋅ Ro
Ro + rz
=
r ⋅R
Rs + z o
Ro + rz
Zwykle rz << Ro, a Rs >> rz , tak więc moŜna napisać, Ŝe
∆U wy
∆U we
≈
rz
Rs
Wstawiając powyŜsze wyraŜenie do wzoru na k otrzymujemy:
k=
rz U we
⋅
Rs U wy
Na podstawie tego wzoru widać, Ŝe układ ma tym lepsze własności stabilizacyjne im wartość
rezystancji szeregowej Rs jest większa, a wartość rezystancji dynamicznej rz diody - mniejsza.
Wartość rezystancji dynamicznej rz moŜemy obliczyć na podstawie zmierzonej
charakterystyki diody (jak na rys. 3) lub w przypadku stałego nachylenia charakterystyki:
U Z max − U Z min
rz =
I Z max − I Z min
5
Gdy napięcie zasilające wyniesie Uwe + ∆Uwe wtedy prąd płynący przez układ jest
maksymalny, a wartość rezystancji RS nie moŜe być mniejsza od RSmin:
Uz
(U + ∆U we ) − U z
gdzie:
- prąd obciąŜenia
RS min = we
U
Ro
I
+ z
Z max
Ro
UZ - nominalne napięcie stabilizacji
Gdy napięcie zasilające wyniesie Uwe - ∆Uwe, to wówczas prąd płynący przez układ
jest najmniejszy a wartość rezystancji ograniczającej prąd nie moŜe być większa od wartości
RSmax
RS max =
(U we − ∆U we ) − U Z
I Z min +
UZ
RO
Obliczenia określają dozwolony zakres wartości rezystora RS. Dla uzyskania moŜliwie
małych wartości k wybieramy wartość rezystora moŜliwie bliską wartości RSmax.
NaleŜy jednak pamiętać iŜ duŜa wartość rezystora RS jest okupiona duŜym spadkiem
napięcia na nim i stratą mocy w stabilizatorze. A więc naleŜy szukać kompromisu.
ZałoŜenia projektowe:
Aby zaprojektować stabilizator przyjmujemy następujące załoŜenia:
Uwe ~ 1,5 UZ
gdzie: Uz poŜądane napięcie stabilizowane (w naszym przypadku
napięcie Zenera dostępnej diody)
∆Uwe = ±10%Uwe
IZmax = Pmax/UZ
IZmin - określane na podstawie charakterystyki
Ro ≈ 1÷10 kΩ
2
Kolejność zadań do wykonania
1. Pomiar charakterystyki I-U wyznaczonej diody Zenera w zakresie zaporowym i
wyznaczenie parametrów charakterystycznych, w tym UZ, IZmin oraz rz.
2. Obliczenie rezystancji szeregowej Rs i spodziewanej wartości współczynnika k.
3. MontaŜ układu stabilizatora.
4. Podłączenie zasilania i pomiary przebiegów napięciowych na oscyloskopie.
5. Obliczenia współczynnika stabilizacji układu dla dwóch wartości rezystancji
obciąŜenia Ro (np.: 1k, 10k).
6
3
Pomiary i obliczenia
3.1
Pomiar charakterystyki I-U diody Zenera i wyznaczenie napięcia przebicia Uz
oraz rezystancji dynamicznej rz.
Podstawową metodą wykorzystywaną do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych jest
metoda techniczna. Układ pomiarowy przedstawiono na rys.7. Zasilacz napięciowy wymusza
przepływ prądu w obwodzie Dokonując odczytów wartości prądów i napięć w kolejnych
punktach charakterystyki sporządzamy tabelę wyników i tworzymy wykres zaleŜności I=f(U).
Mierniki prądu i napięcia (multimetry cyfrowe) mogą być podłączone łączem RS-232 do
komputera i za pomocą programu REJESTRATOR wyniki pomiarów mogą być zapamiętane
i przetworzone na wykres charakterystyki I-U (zapoznaj się z instrukcją dotyczącą tego
programu). W tej konfiguracji układu stosujemy zasilacz z liniowym narostem napięcia w
czasie. W przypadku diody Zenera interesuje nas przede wszystkim zakres napięć, w którym
obserwujemy gwałtowny wzrost prądu w kierunku zaporowym.
10Ω
Zasilacz z narostem
napięcia U=f(t)
mA
badana
dioda
V
Rys. 7 Układ do pomiaru charakterystyki I-U diody Zenera.
Procedura:
1. Odczytać w danych katalogowych parametry dopuszczalne badanej diody.
2. Obliczyć maksymalny prąd wsteczny diody IZmax wynikający z maksymalnej mocy
admisyjnej diody. Ustawić ograniczenie prądu zasilacza na około 0,4 IZmax aby uniknąć
nadmiernego nagrzewania elementu (praktycznie wystarczy zmierzyć charakterystykę I-U
do wartości prądu 40mA). W tym układzie ograniczenie stanowi natęŜenie prądu diody,
wobec tego nastawione maksymalne napięcie zasilacza moŜe i powinno przekraczać napięcie
Zenera danej diody. W ten sposób charakterystyka będzie zmierzona do wartości ograniczenia
prądowego i zobrazuje cały obszar pracy diody. Gdy ustawienie zakresu napięcia będzie za
małe (np. równe napięciu nominalnemu UZ), zmierzymy tylko fragment charakterystyki
diody.
3. Zmierzyć charakterystykę I-U w układzie przedstawionym na rys. 7 i wykreślić wykres w
zakresie normalnej pracy diody Zenera.
4. Na sporządzonym wykresie (uzyskanym wydruku) charakterystyki I-U zaznaczyć
zakres napięć pracy wynikający z wartości IZmin i IZmax. Wyznaczyć parametry diody:
UZ oraz rz. Nanieść takŜe punkt mocy dopuszczalnej diody.
5. Sprawdzić czy dioda spełnia pod względem tolerancji napięcia UZ dane katalogowe dla
danego typu diody.
7
3.2
Obliczenie i pomiary układu stabilizatora napięcia z diodą Zenera.
Procedura:
1. Wykonać obliczenia rezystora Rs oraz przewidywanego współczynnika stabilizacji wg.
wskazówek podanych w p. 1.3 oraz uwzględniając wyniki pomiarów, p. 3.1.
2. Połączyć obwód jak na rys.8. Generator z transformatorem separującym (na płytce) stanowi
źródło tętnień dodawanych do stałego napięcia zasilacza. Stanowi to dobrą symulację
napięcia, które zapewnia prostownik z filtrem pojemnościowym (układ zasilacza znany z
Ćw. 3). Ustawić napięcie zasilacza DC Uwe=1,5 UZ. Ustawić sygnał (sin, f<400Hz) z
generatora tak aby uzyskać tętnienia na wejściu UB =∆Uwe = ±10%Uwe
Rys.8 Schemat montaŜowy układu stabilizatora napięcia
3. Wykonać pomiary przebiegów napięciowych na wejściu stabilizatora Uwe =UB (CH1)
i na wyjściu stabilizatora Uwy =UC (CH2) - porównaj takŜe schematy z rys.4 i rys.6.
W celu obserwacji i pomiaru przebiegów całkowitego napięcia (DC tętnień) ustawić wejścia
kanałów w trybie DC.
W celu dokładnego pomiaru tętnień ustawić wejścia kanałów w trybie AC. Ustawić
odpowiednie narzędzia pomiarowe ekranu (menu Measure) do wyznaczenia wielkości
amplitudy napięcia tętnień Upp.
Przebiegi oscyloskopowe zapamiętać i wydrukować (jeśli oscyloskop jest połączony z
drukarką lub z komputerem aplikacją DSO3000). Do wydruku usunąć kolor (tylko B&W).
Opisać uzyskane wydruki przebiegów.
4. Obliczyć współczynnik stabilizacji napięcia, k .
Wykonać powyŜsze pomiary dla dwóch wartości obciąŜenia Ro. (jeśli czas pozwoli).
4
Wnioski
Podsumowanie wyników opracowanych na załączonych i uzupełnionych odręcznie
charakterystykach i przebiegach sygnałów napięciowych.
8