Instrukcja do ćwiczenia 2

LABORATORIUM ELEKTRONIKI
ĆWICZENIE 2
DIODY STABILIZACYJNE
KATEDRA SYSTEMÓW MIKROELEKTRONICZNYCH
2.1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się z charakterystykami statycznymi oraz
waŜniejszymi parametrami technicznymi diod stabilizacyjnych. Są to diody krzemowe
przeznaczone m.in. do zastosowań w układach stabilizacji, ogranicznikach napięć i układach
zabezpieczających przed przepięciami, uŜywane są teŜ jako źródła napięć odniesienia. Jako
przykład zastosowania diody stabilizacyjnej w ćwiczeniu badany jest prosty układ
stabilizatora napięcia.
2.2. WPROWADZENIE
Typowy obszar pracy diod stabilizacyjnych to zaporowa polaryzacja w zakresie
przebicia tj. w obszarze, gdzie obserwuje się gwałtowny wzrost prądu diody przy niewielkim
wzroście napięcia (patrz Rys. 1). RozróŜnia się dwa zasadnicze mechanizmy przebicia złącza
– przebicie Zenera i przebicie lawinowe. Charakterystyczne róŜnice we właściwościach diod
stabilizacyjnych, związane z mechanizmem przebicia to wartość napięcia stabilizacji U Z oraz
temperaturowego współczynnika względnych zmian napięcia stabilizacji αU Z . Diody, w
których występuje przebicie Zenera, charakteryzują się małymi, poniŜej 5V , wartościami
napięcia stabilizacji oraz ujemną wartością αU Z ( U Z maleje wraz ze wzrostem temperatury).
Przy lawinowym przebiciu diody obserwuje się wartości napięć U Z powyŜej 7V oraz
dodatnią wartość αU Z ( U Z rośnie wraz ze wzrostem temperatury). W diodach o napięciach
stabilizacji 5V < U Z < 7V równocześnie występują oba mechanizmy przebicia, w związku z
czym charakteryzują się one małą wartością αU Z (napięcie stabilizacji U Z w nieznacznym
stopniu zaleŜy od zmian temperatury).
b)
I
UZ
U
∆i
∆u
rZ=∆u/∆i
Rys. 1. Charakterystyka statyczna diody stabilizacyjnej a) rzeczywista, b) jej aproksymacja
odcinkowo-liniowa.
2
W katalogach podawane są przewaŜnie wartości następujących parametrów
charakterystycznych:
•
napięcie przewodzenia U F przy określonym prądzie przewodzenia I F ,
•
prąd wsteczny I R przy określonym napięciu wstecznym U R ≪ U Z ,
•
napięcie stabilizacji U Z , określone przy danym prądzie I Z ,
•
temperaturowy współczynnik zmian napięcia stabilizacji wyraŜany w 1/ C lub
1 dU Z
% / C , określony przy danym prądzie I Z : αU Z =
,
U Z dT I =const
Z
rezystancja róŜniczkowa (dynamiczna) rZ przy danym prądzie I Z : rZ =
•
∆U Z
∆I Z
.
I Z = const
NajwaŜniejszymi parametrami dopuszczalnymi diod stabilizacyjnych są:
•
maksymalna moc strat Pmax oraz maksymalna temperatura złącza T j max ,
•
maksymalny stały prąd przewodzenia I F max ,
•
zakres zmian temperatur otoczenia, w którym dioda moŜe pracować i być
przechowywana.
Znajomość
parametrów
Pmax
oraz
U Z umoŜliwia wyznaczenie maksymalnego
P
dopuszczalnego prądu stabilizacji I Z max = max .
UZ
∆u
Rezystancja dynamiczna rZ =
określa nachylenie charakterystyki I (U ) w
∆i
wybranym punkcie zakresu roboczego. Im mniejsza wartość rZ , tym bardziej stromo
przebiega charakterystyka I (U ) . Wartość rezystancji rZ jest zaleŜna od czynników
konstrukcyjno-technologicznych diody.
Najprostszy układ stabilizatora napięcia z wykorzystaniem diody stabilizacyjnej
przedstawiono na Rys. 2a. W układzie tym stabilizator tworzą rezystor R wraz z diodą
stabilizacyjną Db . Dioda Db stabilizuje napięcie wyjściowe u0 , a więc znacznie zmniejsza
zaleŜność zmian napięcia u0 od zmian napięcia wejściowego u1 oraz rezystancji obciąŜenia
R0 (lub prądu obciąŜenia i0 ).
R
u0
i0(t)
u1
Db
u0
UZ
R0
UZ
u1
Rys. 2. Prosty układ stabilizatora napięcia a) i jego charakterystyka przejściowa b).
3
Do analizy i projektowania takiego stabilizatora konieczne jest uwzględnienie
przewidywanego zakresu zmian napięcia zasilającego u1 , zmian prądu obciąŜenia i0 , jak teŜ
potrzebna jest znajomość parametrów diody: U Z , rZ , Pmax . Zarówno przy projektowaniu, jak
i analizie właściwości zasilacza, wygodnie jest wykorzystać odcinkowo-liniową
aproksymację charakterystyki statycznej diody stabilizacyjnej przedstawioną na Rys. 1b.
Na Rys. 3 przedstawiono schematy zastępcze stabilizatora napięcia dla napięć
wejściowych mniejszych od napięcia stabilizacji U Z (Rys. 3a) oraz dla napięć wejściowych
większych od napięcia stabilizacji U Z (Rys. 3b). W pierwszym przypadku moŜna przyjąć, Ŝe
dioda stabilizacyjna stanowi rozwarcie, w drugim natomiast dioda stanowi szeregowe
połączenie źródła napięciowego o wydajności U Z i rezystancji równej rezystancji
dynamicznej diody rZ .
R
R
i1(t)
iI0(t)
u1
u0
R0
i0(t)
rZ
u1
u0
R0
UZ
i(t)
Rys. 3. Schematy zastępcze stabilizatora napięcia dla a)
u1 < U Z , b) u1 > U Z .
Na charakterystyce przejściowej stabilizatora U 0 (U1 ) przedstawionej na Rys. 2b
moŜna wyróŜnić dwa przedziały:
a) u1 < U Z – napięcie wyjściowe stabilizatora moŜna obliczyć z dzielnika napięciowego:
R0
u0 =
⋅ u1 .
R + R0
b) u1 > U Z – zaniedbując rezystancję dynamiczną diody moŜna przyjąć, Ŝe u1 = U Z . W
rzeczywistości dla zakresu napięć u1 > U Z występuje pewnie niewielkie nachylenie związane
z niezerową wartością rezystancji dynamicznej diody (patrz Rys. 3b):
rZ ⋅ R0 ⋅ u1 + R ⋅ R0 ⋅ U Z
, jeśli moŜna przyjąć, Ŝe rZ ≈ 0 , wówczas zaleŜność upraszcza się
R0 ⋅ R + rZ ⋅ R0 + rZ ⋅ R
do u1 = U Z .
u0 =
2.3. ZADANIA
2.3.1
Zadania do wykonania w laboratorium
Z1. Na tablicy montaŜowej TM2 zmontować układ z Rys. 4. do obserwacji oscyloskopowej
charakterystyk statycznych I (U ) diod stabilizacyjnych. Obejrzeć i przerysować z ekranu
oscyloskopu charakterystyki wszystkich badanych diod. Układ zasilać napięciem
zmiennym 12 V sk .
4
Opisać dokładnie oscylogram. Zanotować nastawy oscyloskopu (VOLTS/DIV) obu
kanałów. Oś prądu I (oś Y) naleŜy wyskalować w miliamperach [ mA] , natomiast oś
napięcia U (oś X) naleŜy wyskalować w woltach [V ] . NaleŜy pamiętać, Ŝe prąd diody
odczytywany jest jako napięcie na rezystorze R2, którego rezystancja wynosi 1Ω . Zatem
wartość prądu diody równa jest co do wartości napięciu na rezystorze R2 np. jeśli nastawa
oscyloskopu w kanale Y VOLTS/DIV= 5mV , wówczas na oscylogramie naleŜy przyjąć
jednostkę 5mA .
≈12 Vsk
B
0,6 A
B
0,6 A
Db
7
R1
14 29 13
18 19 22
OS-9000SRS
1k
R2
1
TM 2
30
X
Y
20
21
Rys. 4. Układ do obserwacji oscyloskopowej charakterystyki
i (u ) .
Z2. Na tablicy montaŜowej zmontować układ z Rys. 5. do pomiaru charakterystyk
statycznych metodą „punkt po punkcie”. Układ zasilać napięciem stałym +24 V .
Zmierzyć charakterystykę I R (U R ) diody BZP683 C4V7.
14
Metex
15 6
R
IR
A
7
22 19
Metex
510
+24 V
V
Db
RZN
R0
5k1
UR
21 20
Imax=100mA
TM 1
Rys. 5. Układ do pomiaru charakterystyki
I R (U R ) diody stabilizacyjnej.
Z3. Zmontować układ prostego stabilizatora napięcia: w układzie z Rys. 5. dołączyć
równolegle do diody stabilizacyjnej rezystancję R0 = 5.1 k Ω . Zmierzyć charakterystykę
przejściową stabilizatora U 0 (U1 ) .
5
2.3.2
Zadania do wykonania w domu
Z1. Wykreślić charakterystykę statyczną diody BZP683 C4V7. Na podstawie wykresu
określić parametry odcinkowo-liniowej aproksymacji diody: napięcie stabilizacji U Z oraz
rezystancję dynamiczną rZ . Wartość napięcia stabilizacji U Z naleŜy określić jako punkt
przecięcia stycznej poprowadzonej do wykresu z osią napięcia. Natomiast wartość
∆U
(patrz Rys. 1b.).
rezystancji dynamicznej rZ naleŜy określić jako stosunek rZ =
∆I
Z2. Dla diody BZP683 C4V7 obliczyć i wykreślić zaleŜność rZ ( I R ) . W tym celu naleŜy
obliczyć metodą siecznych wartość rezystancji dynamicznej w kolejnych punktach
pomiarowych rZi , i = 1, 2,..., N − 1 , gdzie N oznacza liczbę punktów pomiarowych
rZi =
∆U R i
∆I R i
, ∆U R = U R − U R , ∆I R = I R − I R .
i
i +1
i
i
i +1
i
(1)
Z3. Wykreślić zmierzoną charakterystykę stabilizatora u0 ( u1 ) . Ponadto wykreślić teoretyczną
charakterystykę stabilizatora (patrz Rys. 2 i 3).
Skomentować zaobserwowane rozbieŜności pomiędzy teoretyczną i pomierzoną
charakterystyką stabilizatora.
2.4. WYPOSAśENIE STANOWISKA LABORATORYJNEGO
1. Napięcia zasilające: stałe +24 V , zmienne ~ 12 Vsk .
2. Układy laboratoryjne i podzespoły:
•
tablica montaŜowa TM1 z modułem regulowanego źródła napięcia RZN,
•
tablica montaŜowa TM2,
•
zespół badanych diod stabilizacyjnych zmontowanych na płytce PE6 Rys. 6,
•
rezystory wymienne o rezystancjach: R = 1 Ω , 510 Ω , 1 k Ω , 5.1 k Ω .
•
zwora Z1 na łączówce.
PE 6
D2
D1
D4
D3
D1 – BZP683 – C3V3
D2 – BZP683 – C4V7
D3 – BZP683 – C8V2
D4 – BZP683 – C12
Rys. 5. Płytka PE6 z badanymi diodami stabilizacyjnymi.
2.5. LITERATURA
1. Polowczyk M., Klugmann E.: „Przyrządy półprzewodnikowe”, Wydawnictwo Politechniki
Gdańskiej, 2001 (Temat 5.2.).
2. Stepowicz W. J.: „Elementy półprzewodnikowe”, WAM Gdynia 2002 (rozdz. 2.9.2)
3. Marciniak W.: „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”, Warszawa: WNT 1987.
(rozdz. 3.1.3, 3.1.8 i 4.3)
6