Stabilizator napięcia z diodą Zenera

Transkrypt

1 Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Opracował zespół: Marek Panek, Waldemar Oleszkiewicz, yszard Korbutowicz, wona Zborowska-Lindert, Bogdan Paszkiewicz, Małgorzata Kramkowska, Zdzisław Synowiec, Beata Ściana, rena Zubel, Tomasz Ohly, Bogusław Boratyński Ćwiczenie nr 4 Stabilizator napięcia z diodą Zenera. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania - Budowa złącza p-n oraz charakterystyka - - Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera. - Efekt Zenera i efekt powielania lawinogo - jaśnić na modelu pasmom. - Parametry katalogo diody stabilizacyjnej - Schemat i zasada działania stabilizatora napięcia z diodą Zenera. Program zajęć - Pomiar charakterystyki - diody Zenera. - Projekt układu stabilizatora napięcia - Pomiary współczynnika stabilizacji napięcia zbudowanego układu. Literatura. Notatki z WYKŁAD. W. Marciniak - Przyrządy półprzewodniko i układy scalone 3. A. Świt, J. Pułtorak - Przyrządy półprzewodniko 4. Poradnik nŝyniera Elektronika Wykonując pomiary PZESTZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych.

2 Wiadomości wstępne. Przebicie złącza p-n Przy polaryzacji zaporoj złącza p-n zaleŝność - 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 podstawo mechanizmy powodujące przebicie złącza to zjawisko Zenera i zjawisko powielania lawinogo nośników. Efekt Zenera polega na tunelom przejściu elektronu (tzn. bez zmiany energii) z pasma podstawogo do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Występuje on przede wszystkim w półprzewodnikach silnie domieszkowanych gdzie w cienkim obszarze warst zuboŝonej złącza p-n, stępuje silne pole elektryczne ( 0 8 V/m). W p warstwa zuboŝona n Wg W C W F W V ys.. Model pasmo złącza p-n z zaznaczonym efektem Zenera tunelo przejście elektronu z pasma podstawogo do pasma przewodnictwa. W p warstwa zuboŝona n Wg W C W F W V ys.. Model pasmo złącza p-n z zaznaczonym zjawiskiem powielania lawinogo - wzrost liczby nośników prądu w warstwie zaporoj. Zjawisko powielania lawinogo polega na powielaniu nośników prądu w warstwie zuboŝonej złącza p-n, w niku zderzeń elektronów z atomami sieci krystalicznej. Powoduje to zerwanie wiązania kowalencyjnego i powstanie swobodnego elektronu oraz swobodnej dziury. Efekt ten stępuje 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.

3 Przebicie złącza p-n korzystuje się w diodach stabilizacyjnych, zwanych teŝ diodami Zenera słuŝących m.in. do budo układów stabilizatorów napięcia.. 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 nosi ok. 0,6 0,7 V. Przy polaryzacji zaporoj, dla pewnej wartości napięcia zaleŝnej od konstrukcji diody (domieszkowania) stępuje gwałtowny wzrost natęŝenia prądu i bardzo niewielka zmiana napięcia. Tę właściwość korzystuje 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 5 V dominuje efekt Zenera, a dla diod o napięciu przebicia poŝej 0V dominuje zjawisko powielania lawinogo. Z Zmax Zmin Zmin P max hiperbola mocy admisyjnej Zmax r z = d d ys. 3. Charakterystyka diody Zenera przy polaryzacji zaporoj Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę diody Zenera spolaryzowanej w kierunku zaporom wraz z jej podstawomi parametrami: Z napięcie Zenera, Zmin minimalny prąd wsteczny (przy mniejszych wartościach prądu dioda nie ma właściwości stabilizacyjnych), Zmax maksymalny prąd wsteczny (przy większych wartościach prądu dioda moŝe ulec uszkodzeniu), r z rezystancja dynamiczna diody w zakresie przebicia złącza. Przykłado oznaczenie diody Zenera: BZP 60 - C3V3 Pierwsza litera oznacza materiał, z jakiego konana została dioda (B krzem), litera druga mówi o rodzaju diody (Z dioda Zenera), litera trzecia, opcjonalna (P konanie polskie). Kolejne trzy cyfry oznaczają typ diody. Czwarta litera oznacza tolerancję nominalnego napięcia przebicia ( Znom ) diody: C - tolerancja 5% czyli: Z = Znom ± 5% Znom D - tolerancja 0% Z = Znom ± 0% Znom Ostatnie trzy znaki mówią o nominalnym napięciu stabilizacji diody, 3V3 oznacza 3,3 V (znak V oznacza przecinek). Zkle napięcie nominalne podawane jest dla 0, Zmax. 3

4 .3 Projekt stabilizatora z diodą Zenera Na rys. 4 pokazano podstawo schemat układu stabilizatora opartego na diodzie Zenera. Na rys. 5 przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową diody dla polaryzacji zaporoj (), charakterystykę - rezystora obciąŝenia 0 () oraz nikową charakterystykę - układu z obciąŝeniem 0 dołączonym równolegle do diody Zenera na jściu układu stabilizatora (3). Całkowity prąd w rezystorze s jest sumą prądu płynącego przez diodę i obciąŝenie. Linią przerywaną naniesiono proste pracy nikające z moŝlich do przyjęcia wartości rezystora szeregogo s oraz szczytoch wartości napięcia jściogo, tzn. amplitud (napięcia tętnienia) nałoŝonych na poziom napięcia stałego. Linie te definiują dopuszczalny zakres połoŝenia faktycznej prostej pracy. Chwilowa wartość punktu pracy znajduje się zawsze w punkcie przecięcia prostej pracy i charakterystyki - diody. Zadaniem układu jest zmniejszenie amplitud napięcia jściogo ( ) do niewielkich amplitud ( ) napięcia jściogo, które jest napięciem stabilizowanym. ± ys. 4. Schemat układu stabilizatora opartego na diodzie Zenera + - Zmin 0 S max S min charakterystyka obciąŝenia prosta pracy 3 3 charakterystyka diody Zenera charakterystyka padkowa Zmax ys. 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa stabilizatora z diodą Zenera Zmiana napięcia jściogo o ± powoduje zmianę połoŝenia punktu pracy na charakterystyce padkoj stabilizatora. Aby układ stabilizował punkt pracy powinien poruszać się w dopuszczalnym zakresie prądów zmax zmin. PoniŜej wartości zmin układ 4

5 traci własność stabilizacji (zmiana kształtu charakterystyki diody), zaś poŝej wartości zmax stępuje niebezpieczeństwo termicznego zniszczenia diody (przekroczenie mocy dopuszczalnej). Wartość rezystora szeregogo s decyduje o nachyleniu faktycznej prostej pracy, a więc decyduje o prawidłoj pracy stabilizatora. Zadanie właścigo zaprojektowania stabilizatora sprowadza się głównie do problemu prawidłogo dobrania wartości s (przy danych wartościach 0, Z i ). Jakość stabilizacji napięcia charakteryzuje współczynnik stabilizacji zdefiniowany jako stosunek względnej zmiany napięcia jściogo do względnej zmiany napięcia jściogo, czyli: k = Oczywiste jest Ŝe, im k ma mniejszą wartość tym lepsza jest stabilizacja układu (typo wartości: k=0,0 0,05). kład zastępczy stabilizatora dla składoj zmiennej napięcia (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 r z. S r Z 0 ys. 6. kład zastępczy stabilizatora dla składoj zmiennej napięcia ezystancje s oraz równolegle połączone r z 0 tworzą dzielnik napięcia. Na podstawie analizy poŝszego układu moŝna napisać, Ŝe: r z o o o + rz = rz o s + + r Zkle r z << o, a s >> r z, tak więc moŝna napisać, Ŝe Wstawiając poŝsze raŝenie do wzoru na k otrzymujemy: rz k = Na podstawie tego wzoru widać, Ŝe układ ma tym lepsze własności stabilizacyjne im wartość rezystancji szeregoj s jest większa, a wartość rezystancji dynamicznej r z diody - mniejsza. Wartość rezystancji dynamicznej r z moŝemy obliczyć na podstawie zmierzonej charakterystyki diody (jak na rys. 3) lub w przypadku stałego nachylenia charakterystyki: Z max Z min rz = s Z max z Z min r z s 5

6 Gdy napięcie zasilające niesie + wtedy prąd płynący przez układ jest maksymalny, a wartość rezystancji S nie moŝe być mniejsza od Smin : ( + ) z S min = gdzie: z - prąd obciąŝenia z Z max + o o Z - nominalne napięcie stabilizacji Gdy napięcie zasilające niesie -, to wówczas prąd płynący przez układ jest najmniejszy a wartość rezystancji ograniczającej prąd nie moŝe być większa od wartości Smax ( ) S max = Obliczenia określają dozwolony zakres wartości rezystora S. Dla uzyskania moŝliwie małych wartości k bieramy wartość rezystora moŝliwie bliską wartości Smax. NaleŜy jednak pamiętać iŝ duŝa wartość rezystora S jest okupiona duŝym spadkiem napięcia na nim i stratą mocy w stabilizatorze. A więc naleŝy szukać kompromisu. Z min + ZałoŜenia projekto: Aby zaprojektować stabilizator przyjmujemy następujące załoŝenia: ~,5 Z = ±0% Zmax = P max / Z Z O Z gdzie: z poŝądane napięcie stabilizowane (w naszym przypadku napięcie Zenera dostępnej diody) Zmin - określane na podstawie charakterystyki o 0 kω Kolejność zadań do konania. Pomiar charakterystyki - znaczonej diody Zenera w zakresie zaporom i znaczenie parametrów charakterystycznych, w tym Z, Zmin oraz r z.. Obliczenie rezystancji szeregoj s i spodziewanej wartości współczynnika k. 3. MontaŜ układu stabilizatora. 4. Podłączenie zasilania i pomiary przebiegów napięcioch na oscyloskopie. 5. Obliczenia współczynnika stabilizacji układu dla dwóch wartości rezystancji obciąŝenia o (np.: k, 0k). 6

7 3 Pomiary i obliczenia 3. Pomiar charakterystyki - diody Zenera i znaczenie napięcia przebicia z oraz rezystancji dynamicznej r z. Podstawową metodą korzystywaną do pomiaru charakterystyk prądowo-napięcioch jest metoda techniczna. kład pomiaro przedstawiono na rys.7. Zasilacz napięcio musza przepływ prądu w obwodzie Dokonując odczytów wartości prądów i napięć w kolejnych punktach charakterystyki sporządzamy tabelę ników i tworzymy kres zaleŝności =f(). Mierniki prądu i napięcia (multimetry cyfro) mogą być podłączone łączem S-3 do komputera i za pomocą programu EJESTATO niki pomiarów mogą być zapamiętane i przetworzone na kres charakterystyki - (zapoznaj się z instrukcją dotyczącą tego programu). W tej konfiguracji układu stosujemy zasilacz z liniom narostem napięcia w czasie. W przypadku diody Zenera interesuje nas przede wszystkim zakres napięć, w którym obserwujemy gwałtowny wzrost prądu w kierunku zaporom. 0Ω ma Zasilacz z narostem napięcia =f(t) badana dioda V ys. 7 kład do pomiaru charakterystyki - diody Zenera. Procedura:. Odczytać w danych katalogoch parametry dopuszczalne badanej diody.. Obliczyć maksymalny prąd wsteczny diody Zmax nikający z maksymalnej mocy admisyjnej diody. stawić ograniczenie prądu zasilacza na około 0,4 Zmax aby uniknąć nadmiernego nagrzewania elementu (praktycznie starczy zmierzyć charakterystykę - 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 prądogo i zobrazuje cały obszar pracy diody. Gdy ustawienie zakresu napięcia będzie za małe (np. równe napięciu nominalnemu Z ), zmierzymy tylko fragment charakterystyki diody. 3. Zmierzyć charakterystykę - w układzie przedstawionym na rys. 7 i kreślić kres w zakresie normalnej pracy diody Zenera. 4. Na sporządzonym kresie (uzyskanym druku) charakterystyki - zaznaczyć zakres napięć pracy nikający z wartości Zmin i Zmax. Wyznaczyć parametry diody: Z oraz r z. Nanieść takŝe punkt mocy dopuszczalnej diody. 5. Sprawdzić czy dioda spełnia pod względem tolerancji napięcia Z dane katalogo dla danego typu diody. 7

8 3. Obliczenie i pomiary układu stabilizatora napięcia z diodą Zenera. Procedura:. Wykonać obliczenia rezystora s oraz przewidywanego współczynnika stabilizacji wg. wskazók podanych w p..3 oraz uwzględniając niki pomiarów, p 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 pojemnościom (układ zasilacza znany z Ćw. 3). stawić napięcie zasilacza DC =,5 Z. stawić sygnał (sin, f<400hz) z generatora tak aby uzyskać tętnienia na jściu B = = ±0% ys.8 Schemat montaŝo układu stabilizatora napięcia 3. Wykonać pomiary przebiegów napięcioch na jściu stabilizatora = B (CH) i na jściu stabilizatora = C (CH) - porównaj takŝe schematy z rys.4 i rys.6. W celu obserwacji i pomiaru przebiegów całkowitego napięcia (DC tętnień) ustawić jścia kanałów w trybie DC. W celu dokładnego pomiaru tętnień ustawić jścia kanałów w trybie AC. stawić odpowiednie narzędzia pomiaro ekranu (menu Measure) do znaczenia wielkości amplitudy napięcia tętnień pp. Przebiegi oscyloskopo zapamiętać i drukować (jeśli oscyloskop jest połączony z drukarką lub z komputerem aplikacją DSO3000). Do druku usunąć kolor (tylko B&W). Opisać uzyskane druki przebiegów. 4. Obliczyć współczynnik stabilizacji napięcia, k. Wykonać poŝsze pomiary dla dwóch wartości obciąŝenia o. (jeśli czas pozwoli). 4 Wnioski Podsumowanie ników opracowanych na załączonych i uzupełnionych odręcznie charakterystykach i przebiegach sygnałów napięcioch. 8