LABORATORIUM ELEKTRONIKI

Transkrypt

1 LABOATOIM ELEKTONIKI ĆWICENIE 1 DIODY STABILIACYJNE K A T E D A S Y S T E M Ó W M I K O E L E K T O N I C N Y C H

2 21 CEL ĆWICENIA Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się z charakterystykami statycznymi oraz ważniejszymi parametrami technicznymi diod stabilizacyjnych Są to diody krzemowe przeznaczone min do zastosowań w układach stabilizacji, ogranicznikach napięć i układach zabezpieczających przed przepięciami, używane są też jako źródła napięć odniesienia Jako przykład zastosowania diody stabilizacyjnej w ćwiczeniu badany jest prosty układ stabilizatora napięcia 22 WPOWADENIE 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 ys 1) ozróżnia się dwa zasadnicze mechanizmy przebicia złącza przebicie enera i przebicie lawinowe Charakterystyczne różnice we właściwościach diod stabilizacyjnych, związane z mechanizmem przebicia to wartość napięcia stabilizacji oraz temperaturowego współczynnika względnych zmian napięcia stabilizacji α Diody, w których występuje przebicie enera, charakteryzują się małymi, poniżej 5V, wartościami napięcia stabilizacji oraz ujemną wartością α ( maleje wraz ze wzrostem temperatury) Przy lawinowym przebiciu diody obserwuje się wartości napięć powyżej 7V oraz dodatnią wartość α ( rośnie wraz ze wzrostem temperatury) W diodach o napięciach stabilizacji 5V < < 7V równocześnie występują oba mechanizmy przebicia, w związku z czym charakteryzują się one małą wartością α (napięcie stabilizacji w nieznacznym stopniu zależy od zmian temperatury) b) I i u r = u/ i ys 1 Charakterystyka statyczna diody stabilizacyjnej a) rzeczywista, b) jej aproksymacja odcinkowo-liniowa 2

3 W katalogach podawane są przeważnie wartości następujących parametrów charakterystycznych: napięcie przewodzenia F przy określonym prądzie przewodzenia I F, prąd wsteczny I przy określonym napięciu wstecznym, napięcie stabilizacji, określone przy danym prądzie I, temperaturowy współczynnik zmian napięcia stabilizacji wyrażany w 1/ o C %/ o 1 d C, określony przy danym prądzie I : α =, dt I= const rezystancja różniczkowa (dynamiczna) r przy danym prądzie I : Najważniejszymi parametrami dopuszczalnymi diod stabilizacyjnych są: r = I I= const maksymalna moc strat P max oraz maksymalna temperatura złącza T jmax, maksymalny stały prąd przewodzenia I Fmax, zakres zmian temperatur otoczenia, w którym dioda może pracować i być przechowywana najomość parametrów P max oraz umożliwia wyznaczenie maksymalnego Pmax dopuszczalnego prądu stabilizacji Imax = u ezystancja dynamiczna r = określa nachylenie charakterystyki I( ) w i wybranym punkcie zakresu roboczego Im mniejsza wartość r, tym bardziej stromo przebiega charakterystyka I( ) Wartość rezystancji r jest zależna od czynników konstrukcyjno-technologicznych diody lub Najprostszy układ stabilizatora napięcia z wykorzystaniem diody stabilizacyjnej przedstawiono na ys 2a W układzie tym stabilizator tworzą rezystor wraz z diodą stabilizacyjną D b Dioda D b stabilizuje napięcie wyjściowe u, a więc znacznie zmniejsza zależność zmian napięcia u od zmian napięcia wejściowego u 1 oraz rezystancji obciążenia (lub prądu obciążenia i ) i (t) u u 1 D b u u 1 ys 2 Prosty układ stabilizatora napięcia a) i jego charakterystyka przejściowa b) Do analizy i projektowania takiego stabilizatora konieczne jest uwzględnienie przewidywanego zakresu zmian napięcia zasilającego u 1, zmian prądu obciążenia i, jak też potrzebna jest znajomość parametrów diody:, r, P max arówno przy projektowaniu, jak 3

4 i analizie właściwości zasilacza, wygodnie jest wykorzystać odcinkowo-liniową aproksymację charakterystyki statycznej diody stabilizacyjnej przedstawioną na ys 1b Na ys 3 przedstawiono schematy zastępcze stabilizatora napięcia dla napięć wejściowych mniejszych od napięcia stabilizacji (ys 3a) oraz dla napięć wejściowych większych od napięcia stabilizacji (ys 3b) W pierwszym przypadku można przyjąć, że dioda stabilizacyjna stanowi rozwarcie, w drugim natomiast dioda stanowi szeregowe połączenie źródła napięciowego o wydajności i rezystancji równej rezystancji dynamicznej diody r i1(t) ii(t) r i(t) u1 u u1 u i(t) ys 3 Schematy zastępcze stabilizatora napięcia dla a) u1 <, b) u1 > Na charakterystyce przejściowej stabilizatora ( 1) przedstawionej na ys 2b można wyróżnić dwa przedziały: a) u1 < napięcie wyjściowe stabilizatora można obliczyć z dzielnika napięciowego: u = u1 + b) u1 > zaniedbując rezystancję dynamiczną diody można przyjąć, że u1 = W rzeczywistości dla zakresu napięć u1 > występuje pewnie niewielkie nachylenie związane z niezerową wartością rezystancji dynamicznej diody (patrz ys 3b): u r u1+ = + r + r do u1 = 23 ADANIA 231 adania do wykonania w laboratorium, jeśli można przyjąć, że r, wówczas zależność upraszcza się 1 Na tablicy montażowej TM2 zmontować układ z ys 4 do obserwacji oscyloskopowej charakterystyk statycznych I( ) diod stabilizacyjnych Obejrzeć i przerysować z ekranu oscyloskopu charakterystyki wszystkich badanych diod kład zasilać napięciem zmiennym 12V sk Opisać dokładnie oscylogram anotować nastawy oscyloskopu (VOLTS/DIV) obu ma, natomiast oś kanałów Oś prądu I (oś Y) należy wyskalować w miliamperach [ ] napięcia (oś X) należy wyskalować w woltach [ V ] Należy pamiętać, że prąd diody odczytywany jest jako napięcie na rezystorze 2, którego rezystancja wynosi 1Ω atem wartość prądu diody równa jest co do wartości napięciu na rezystorze 2 np jeśli nastawa 4

5 oscyloskopu w kanale Y VOLTS/DIV=5mV, wówczas na oscylogramie należy przyjąć jednostkę 5mA 12 Vsk B,6 A B,6 A Db k 2 1 OS-9SS TM 2 3 Y X 2 21 ys 4 kład do obserwacji oscyloskopowej charakterystyki i( u ) 2 Na tablicy montażowej zmontować układ z ys 5 do pomiaru charakterystyk statycznych metodą punkt po punkcie kład zasilać napięciem stałym + 24V mierzyć charakterystykę ( ) I diody BP683 C4V7 (bez O ) +24 V Metex A 51 Db N I V Metex 5k1 Imax=1mA TM 1 ys 5 kład do pomiaru charakterystyki ( ) 21 2 I diody stabilizacyjnej 3 montować układ prostego stabilizatora napięcia: w układzie z ys 5 dołączyć równolegle do diody stabilizacyjnej rezystancję = 51 kω mierzyć charakterystykę przejściową stabilizatora ( 1), a następnie zastąpić rezystor O opornicą dekadową i dokonać pomiaru charakterystyki obciążenia stabilizatora (I ) przy 1 =1V, przy czym zmiany napięcia wejściowego dokonuje się poprzez zmiany napięcia regulowanego źródła napięcia N tablicy montażowej TM1, natomiast zmiany prądu wyjściowego I = / O dokonuje się poprzez zmiany rezystancji obciążenia (opornicy dekadowej) od 1kΩ do 1Ω 5

6 232 adania do wykonania w domu 1 Wykreślić charakterystykę statyczną diody BP683 C4V7 Na podstawie wykresu określić parametry odcinkowo-liniowej aproksymacji diody: napięcie stabilizacji oraz rezystancję dynamiczną r Wartość napięcia stabilizacji należy określić jako punkt przecięcia stycznej poprowadzonej do wykresu z osią napięcia Natomiast wartość rezystancji dynamicznej r należy określić jako stosunek r = (patrz ys 1b) I r I W tym celu należy 2 Dla diody BP683 C4V7 obliczyć i wykreślić zależność ( ) obliczyć metodą siecznych wartość rezystancji dynamicznej w kolejnych punktach pomiarowych r, i= 1,2,, N 1, gdzie N oznacza liczbę punktów pomiarowych i r i i =, = i i+ 1, I i = I i I i+ 1 (1) i I i 3 Wykreślić zmierzone charakterystyki stabilizatora u( u 1) oraz (I ) Ponadto wykreślić teoretyczne charakterystyki stabilizatora (patrz ys 2 i 3) Skomentować zaobserwowane rozbieżności pomiędzy teoretyczną i pomierzoną charakterystyką stabilizatora 24 WYPOSAŻENIE STANOWISKA LABOATOYJNEGO 1 Napięcia zasilające: stałe+ 24V, zmienne~12v sk 2 kłady laboratoryjne i podzespoły: tablica montażowa TM1 z modułem regulowanego źródła napięcia N, tablica montażowa TM2, zespół badanych diod stabilizacyjnych zmontowanych na płytce PE6 ys 6, rezystory wymienne o rezystancjach: = 1Ω, 51Ω, 1kΩ, 51kΩ zwora 1 na łączówce D1 D2 PE 6 D3 D4 D1 BP683 C3V3 D2 BP683 C4V7 D3 BP683 C8V2 D4 BP683 C12 25 LITEATA ys 5 Płytka PE6 z badanymi diodami stabilizacyjnymi 1 Polowczyk M, Klugmann E: Przyrządy półprzewodnikowe, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 21 (Temat 52) 2 Stepowicz W J: Elementy półprzewodnikowe, WAM Gdynia 22 (rozdz 292) 3 Marciniak W: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, Warszawa: WNT 1987 (rozdz 313, 318 i 43) 6