Spis przyrządów:

• Dioda Zenera: BZP 620C 9V1

• Zasilacz stabilizowany: D.C. POWER SUPPLY P316

• MULTIMETER TYC VC-10T

• DIGITAL MULTIMETER 1321

Wprowadzenie:

W ćwiczeniu badamy typ diody zwany diodą Zenera. Charakterystyczną cechą tejże diody jest gwałtowne narastanie prądu przy pewnym napięciu zaporowym zwanym napięciem Zenera (Uz) (odpowiedzialne są za to dwa zjawiska fizyczne: przebicie Zenera i powielanie lawinowe). Tę prostopadłą wręcz charakterystykę prądowo-napięciową diody Zenera wykorzystuje się do stabilizacji napięcia (prądu).

W ćwiczeniu postaramy się wyznaczyć charakterystykę otrzymanej diody Zenera w kierunku zaporowym, zbudować na jej bazie prosty stabilizator (wyznaczając przedtem parametry elementów ukł.) oraz zbadać jego współczynnik stabilizacji.

Wyliczenie prądu maksymalnego diody:

Pmax=1W
Uz=9,1V
Izmax=Pmax/Uz=109,8mA

Pomiar charakterystyki I=f(U) diody Zenera metodą „punkt po punkcie” (schemat 1.)

Sposób pomiaru - polega na zmianie napięcia wej. na zasilaczu (i tym samym prądu w obwodzie Iz) i obserwacji zmian napięcia Uz.

Wyniki pomiarów:

Uz	Iz
V	mA
8,13	0,1
8,58	0,3
8,58	1,0
8,59	4,5
8,60	10,6
8,61	16,8
8,62	18,3
8,63	34,6
8,64	41,6
8,65	81,0
8,69	105,7
8,74	108,6

Projekt prostego stabilizatora

Dane:
Uz=8,6V (wartość średnia z tabelki pomiarów diody)
Uwe=1,5Uz=13,65V
ΔUwe=±10%Uwe => 12,3V≤Uwe≤15V
Izmax=109,8mA
Izmin=0,3mA (z charakterystyki)
Ro=10kΩ

Obliczenie Rsmin i Rsmax:

Rsmin=(Uwe+ΔUwe-Uz)/(Izmax+(Uz/Ro))=57,8Ω
Rsmax=(Uwe-ΔUwe-Uz)/(Izmin+(Uz/Ro))=3189,7Ω

Przyjmujemy Rs=1,69kΩ

Badanie współczynnika stabilizacji k zaprojektowanego stabilzatora (schemat 2.)

Mierzymy zmiany napięcia wyjściowego w zależności od zmian napięcia na wejściu, na podstawie otrzymanych wyników liczymy współczynnik stabilizacji.

Uwe=1,5Uz=13,65V Uwy=8,57V
Uwe+ΔUwe=Uwe+10%Uwe=15V Uwy+ΔUwy=8,58
Uwe-ΔUwe=Uwe-10%Uwe=12,3V Uwy-ΔUwy=8,57

k1= (ΔUwy/Uwy)/(ΔUwe/Uwe)=(0,01/8,57)/(2,7/13,65)=0,0058

Ponieważ miernik miał zbyt mały zakres, więc różnice na wyjściu (bardzo małe) nie powodowały zauważalnej zmiany wskazań miernika. By obliczyć dokładniej wartość współczynnika stabilizacji zwiększyliśmy zakres zmian napięcia wejściowego z 10% do 20%:

Uwe+ΔUwe=Uwe+20%Uwe=16,38V Uwy+ΔUwy=8,58

Uwe-ΔUwe=Uwe-20%Uwe=10,92V Uwy-ΔUwy=8,56

Niestety i wówczas zmiany na wyjściu były wręcz niedostrzegalne.

k1= (ΔUwy/Uwy)/(ΔUwe/Uwe)=(0,02/8,57)/(5,46/13,65)=0,0058

Do pomiarów można było co prawda użyć oscyloskopu (by zaobserwować dokładniej zmiany Uwy), okazało się jednak, że na naszym autotransformatorze trudno ustawić małe wartości, poza tym mieliśmy problemy z zakłóceniami powodowanymi przez styki - na dokładny pomiar oscyloskopem nie starczyło czasu).

Współczynnik k można wyznaczyć również z zależności:

k2= (r/Rs)*(Uwe/Uwy), gdzie

r-rezystancja dynamiczna diody = (Uzmax-Uzmin)/(Izmax-Izmin)

U nas:

r=(8,74-8,58)/((108,6-0,3)*0,001)=1,48Ω więc

k2=1,48/1690*13,65/8,57=0,0014

Wnioski

Dioda, którą badaliśmy była oznaczona symbolem: BZP 620C 9V1, co oznacza, że nominalne napięcie stabilizacji Uz musiało się znaleźć w przedziale (9,1V-0,05*9,1V;9,1V+ 0,05*9,1V), a więc: 8,65<Uz<9,55. U nas Uzmin=8,58, a Uzmax=8,74, co oznacza, że dioda spełnia wymogi.

Uzmin wyznaczyliśmy z pomiarów metodą “punkt po punkcie” - poniżej tej wartości napięcia, dioda traci swe właściwości stabilizacyjne - charakterystyka staje się coraz mniej stroma (rezystancja dynamiczna odbiega coraz bardziej od wartości zerowej - zwiększa się współczynnik stabilizacji).

Uzmax jest to napięcie, przy którym prąd osiąga swą dopuszczalną wartość (wyliczoną wcześniej na podstawie danych diody: mocy maksymalnej oraz napięcia nominalnego). Po przekroczeniu wartosci Uzmax moc wydzielana na diodzie przekracza swą wartość dopuszczalną, ustaloną przez producenta (moc badanej diody 1W (symb. 620)).

Między wartościami Uzmax i Uzmin charakterystyka zaporowa diody była dostatecznie stroma, by móc ją wykorzystać jako prostą pracy w stabilizatorze napięcia (prądu).

Aby zbudować na bazie danej diody Zenera stabilizator należy zwrócić uwagę na to, jak wielkie będzie napięcie wejściowe (u nas Uwe=1,5Uz=13,65V), jakie będą jego zmiany (w nszym przypadku ±10%Uwe) oraz jaka jest wartość rezystancji obciążenia (u nas Ro=10kΩ).
Następnie na podstawie tych danych oraz danych diody ustalonych przez producenta należy obliczyć wartość rezystancji szeregowej Rs dołączanej do układu dioda-obciążenie. Potrzebne są dwie wartości:

• minimalna (liczona przy Uwemax), która nie pozwoli na przekroczenie dopuszczalnego poziomu mocy na diodzie

• maksymalna (liczona przy Uwemin), która “zadba” o to, by napięcie na diodzie nie spadło poniżej wartości stabilizujących

Rezystancja Rs jest jedną z wartości pośrednich (między Rsmin i Rsmax). Jednak dla zapewnienia lepszej stabilizacji wybiera się Rs bliską Rsmax. Wtedy mniejszy wpływ na współczynnik stabilizacji ma rezystancja dynamiczna diody, co widać chociażby na podstawie rozważań matematycznych:

k=(ΔUwy/Uwy)/(ΔUwe/Uwe)

ΔUwy/ΔUwe=(r||Ro)/(Rs+r||Ro)

Dla r<<Ro i r<<Rs ΔUwy/ΔUwe≈r/Rs, czyli:

k=(r/Rs)*(Uwe/Uwy), więc im większe Rs tym mniejsze k (tym lepsza stabilizacja).

Wartości współczynników stabilizacji produkowanych stabilizatorów wynoszą na ogół 0,02÷0,05.

My uzyskaliśmy wartość 0,0058, gdy liczyliśmy współczynnik z zależności:

k=(ΔUwy/Uwy)/(ΔUwe/Uwe)

oraz wartość 0,0014, gdy liczyliśmy go z wzoru:

k=(r/Rs)*(Uwe/Uwy).

Powstaje teraz pytanie: która z wyliczonych wartości k jest bliższa prawdzie. Wydaje mi się, że ta druga liczona w oparciu o rezystancję dynamiczną i szeregową stabilizatora. Błędy w liczeniu metodą pierwszą współczynnika stabilizacji kryją się najprawdopodobniej w niemożliwości dokładnego odczytu zmian napięcia na wyjściu miernikami użytymi w ćwiczeniu (miały zbyt małą dokładność). W obliczaniu metodą drugą wszystkie obiekty wzoru były stosunkowo dobrze znane.

Jedno okazało się jednak pewne: stabilizacja diody Zenera jest na pewno dostatecznie dobra, by wykorzystywać ten element do tego celu (co zresztą dzieje się już od kilku dziesięcioleci). Dodatkową zaletą jest prostota budowy stabilizatora opartego na diodzie Zenera jak i łatwość jego projektowania.

Na koniec warto wspomnieć krótko o budowie użytego stabilitronu. Ponieważ jest on zbudowany na napięcie nominalne 9,1V, więc można się domyślać, że wykorzystuje on zarówno efekt tunelowy Zenera (występujący dla krzemu, gdy U na złączu >4Wg/e=4*1,1eV/e=4,4V (nasza dioda jest krzemowa - symb. B)) jak i zjawisko powielania lawinowego (dla krzemu dla U>6,6V).

Schemat 1 - układ do pomiaru charakterystyki diody Zenera metodą “punkt po punkcie”

Schemat 2 - układ do pośredniego pomiaru współczynnika stabilizacji zaprojektowanego stabilizatora

Laboratorium Pomiarów

I Podzespołów

Elektronicznych I-25

Ćwiczenie wykonali:

Grzegorz Matoga

Łukasz Dumiszewski

Sprawozdanie opracował:

Łukasz Dumiszewski

ćw. nr

3

Symb. gr. stud.

Pn 14

Data wyk. ćw.

25.10.1999

TEMAT ĆWICZENIA:

ELEMENTY STABILIZACYJNE

Ocena za:

Odpowiedź Wykon. Sprawozd.

UWAGI

Uzmin, Izmin

Uzmax,

Izmax

+

-

Zasilacz

napięciowy

mA

V

D

1kΩ

Rs

D

Vwy

Vwe

P316

-

+

---