1

POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki

INSTRUKCJA NR3 MD, 2006/7

PROSTOWNIKI i STABILIZATORY

Cel ćwiczenia:

Wykonanie pomiarów charakterystyk prądowo-napięciowych diod stabilizacyjnych, analiza

możliwości ich zastosowania w prostych układach stabilizatorów, badanie układów prostowników.

A) Zadania do samodzielnego opracowania przed zajęciami:

Zapoznać się z treścią instrukcji, zapoznać się z teoretycznymi podstawami działania diod

stabilizacyjnych. Opracować (narysować) schematy pomiarowe układów prostowników półfalowego, z
mostkiem Graetza oraz stabilizatora parametrycznego możliwego do skonstruowania w oparciu o
dostępne w Laboratorium przyrządy. Przemyśleć sposób obliczenia elementów układu stabilizatora
parametrycznego!

B) WPROWADZENIE

Przebicie złącza p-n.

Jest to gwałtowny wzrost prądu przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym napięciem większym niż pewna

charakterystyczna dla danego złącza wartość, nazywana napięciem przebicia. Istnieją dwie przyczyny tego zjawiska:

a) przebicie Zenera: zachodzi w złączach silnie domieszkowanych (koncentracje domieszek >10

19

/cm

-3

.). Złącze ma małą

szerokość, poziom Fermiego leży powyżej E

C

lub poniżej E

V

: Pasmo walencyjne po stronie p

+

oraz pasmo przewodnictwa po stronie n

+

znajdują się częściowo "naprzeciwko siebie". Płynie prąd tunelowania nośników lub prąd Zenera, elektron przy przejściu tunelowym nie
zmienia energii. W stanie równowagi sumaryczny prąd płynący przez złącze p

+

- n

+

powinien być równy zeru. Pojawia się druga składowa

prądu: tzw. prąd Esakiego I

E

. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym przeważa składowa Zenera

Dla zjawiska Zenera charakterystyczna jest mała wartość napięcia przebicia, U

pZ

<4E

g

/q , w przypadku złącza krzemowego

oznacza to U

pZ

<5V.

b) Przebicie lawinowe. Polega na jonizacji atomów w sieci krystalicznej wskutek dostarczenia energii przez swobodny nośnik

ładunku, rozpędzony w silnym polu elektrycznym. Jeżeli szerokość warstwy zaporowej jest znacznie większa niż średnia droga swobodna,
to można mówić o lawinowym powielaniu liczby nośników.

Dla zjawiska przebicia lawinowego charakterystyczna jest wartość napięcia przebicia, U

pZ

>4E

g

/q , w przypadku złącza

krzemowego oznacza to U

pZ

>7V.

Rys. 1 a) Model pasmowy złącza silnie domieszkowanego przy polaryzacji zaporowej - dominuje składowa prądu Zenera I

Z

.

b) Mechanizm powielania lawinowego nośników w warstwie zaporowej złącza p-n spolaryzowanego zaporowo.

Przebicie Zenera, i lawinowe nie powodują bezpośredniego uszkodzenia złącza, jeśli w obwodzie zewnętrznym jest odpowiednie
ograniczenie prądu, to złącze dowolnie długo może pracować w zakresie przebicia.

Prostowniki i stabilizatory.

Stabilizatory to układy które służą do ustalania - stabilizacji - napięć zasilających, zarówno przy

zmianach tych napięć wywoływanych zmianami prądu obciążenia, jak i wynikających z wahań napięcia dostarczanego ze źródła
pierwotnego. Dla stabilizatorów napięć stałych typowym źródłem pierwotnym jest jedno lub dwupołówkowy prostownik zasilany z sieci
energetycznej o częstotliwości 50 Hz, wytwarzający napięcie z dużą składową tętnień. Stabilizator powinien zapewnić eliminację tętnień,
tzn. powinien spełniać funkcję filtru wygładzającego. Wymaga to dostatecznie szybkiej reakcji tego układu na zachodzące zmiany napięcia
wejściowego i wyjściowego. Wymagania co do szybkości reakcji mogą być jeszcze większe, gdy stabilizator służy do zasilania układów o
dużych skokowych wahaniach pobieranego prądu, np. przy zasilaniu zespołów cyfrowych, przekaźników, chwilowo uruchamianych
silników. Podstawowe parametry stabilizatora są związane z jego charakterystyką wyjściową U

2

= f(I

2

) obrazującą zależność napięcia

wyjściowego U

2

od prądu obciążenia I

2

(przy stałym napięciu wejściowym U

1

). W typowej charakterystyce stabilizatora wyodrębnia się

dwie części: zakres stabilizacji (normalnej pracy) i zakres przeciążenia .

d

I

Z

U

D

+U(<0)

q(U

D

+U)

p+

n+

qU

+

-

E

Fp

E

Fn

Elektron

inicjujący

powielanie

lawinowe

d

n

p

+

-

a) b)

2

Rys. 2 a) Schemat blokowy, b) przykładowa charakterystyka wyjściowa stabilizatora.

W zakresie przeciążenia występuje znaczna zależność napięcia od prądu, tzn. zanikają właściwości stabilizujące układu, ponadto może
znacznie powiększyć się moc wydzielana w szeregowym elemencie regulacyjnym, co grozi jego uszkodzeniem. Dlatego często stosuje się
często układy dodatkowe modyfikujące charakterystykę U

2

= f(I

2

) w taki sposób, że poza zakresem stabilizacji moc wydzielana w układzie

stabilizatora nie powiększa się w ogóle lub powiększa się umiarkowanie. Wymaga to jednak zastosowania w układzie stabilizatora jednego
lub więcej tranzystorów.
Podstawowe parametry stabilizatora to: nominalne (znamionowe) napięcie stabilizacji, największy prąd wyjściowy w zakresie
stabilizacji, największy wyjściowy prąd zwarciowy, zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego. Dodatkowo często określa się:

1

2

U

U

S

U

∆

∆

=

- współczynnik stabilizacji napięcia;

T

U

U

S

T

∆

∆

=

2

2

- współczynnik temperaturowy;

2

2

I

U

R

O

∆

∆

−

=

- rezystancja a wyjściowa;

1

1

2

2

I

U

I

U

=

η

- sprawność energetyczna

Współczynnik S

U

jest podstawowym parametrem stabilizatora. W prostych stabilizatorach parametrycznych wartość S

U

zwykle mieści się

w zakresie 0,1- 0,01, w stabilizatorach ze sprzężeniem zwrotnym natomiast przeciętnie S

U

jest rzędu 0,0001.

Współczynnik S

T

zależy od konstrukcji stabilizatora i od nakładu wysiłków do skompensowania wpływu temperatury. Wartości typowe S

T

mieszczą się w zakresie od + 0,01 %/K do około ± 0,001 %/K w układach skompensowanych termicznie.
Rezystancja wyjściowa R

o

w stabilizatorach parametrycznych jest na ogół znaczna (np. rzędu kilkunastu omów), co jest niekorzystne, w

stabilizatorach ze sprzężeniem zwrotnym natomiast może być znacznie mniejsza, rzędu kilku miliomów.
Stabilizatory o działaniu ciągłym mają małą sprawność energetyczną, zależną przy tym od poboru prądu przez obciążenie (większą przy
prądach dużych). Sprawność na ogół nie przekracza 60% (a w przypadku układów parametrycznych często nie przekracza 10%). Dużą
sprawnością wyróżniaj się stabilizatory o pracy impulsowej.

Dioda w układzie stabilizacji napięcia

.

Poprawę w filtrowaniu składowej zmiennej na wyjściu prostownika uzyskamy w

układzie w którym równolegle do obciążenia dołączymy diodę stabilizacyjną (Rys. 3). Zmiany napięcia pod wpływem zmian prądu będą
tym mniejsze im bardziej stromo przebiega jej charakterystyka w zakresie przebicia, czyli im mniejszy jest stosunek

∆U/∆I.

Definiuje on rezystancję dynamiczną:

r

Z

=

∆U

Z

/

∆I

Z

,

Najważniejsze parametrów charakterystyczne diod stabilizacyjnych:
-

prądy i napięcia w kierunku przewodzenia i zaporowym przed przebiciem - jak dla diody prostowniczej;

-

napięcie stabilizacji U

Z

zwykle przy I=0.1I

Zmax

, rozrzut jego wartości dla określonego typu diody;

- temperaturowy współczynnik zmian napięcia stabilizacji

β (bezwzględny, wyrażony w 1/

o

C lub %/

o

C);

-

rezystancję dynamiczną w zakresie zaporowym - r

Z

=

∆U

Z

/

∆I

Z

(przyrostowo);

-

prąd wsteczny I

R

przy określonym napięciu wstecznym U

R

(zwykle przy U

R

= 1V);

Najważniejsze parametry dopuszczalne:

- maksymalny prąd przewodzenia I

F max

(w stab. dużej mocy dopuszczalny szczytowy prąd przewodzenia I

FM max

);

- maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji najczęściej wyznaczany z zależności: I

Zmax

= P

TOT

/U

Z

- maksymalna temperatura złącza T

Jmax

(zwykle 150

o

C)

-

maksymalna moc strat P

max

podawana dla T

a

= 25

o

C

Podstawowym zadaniem każdego stabilizatora jest uniezależnienie napięcia na obciążeniu od zmian napięcia wejściowego, oraz zmian
rezystancji obciążenia R

L

. Zmiany R

L

powodują zmiany prądu obciążenia, a te z kolei wywołują określone spadki napięcia na R

1

oraz na

rezystancji prostownika. W rezultacie napięcie na obciążeniu ulega zmianie. R

1

musimy zastosować w celu ograniczenia prądu płynącego

przez diodę do wartości dopuszczalnej dla danego egzemplarza - przebicie nie jest zjawiskiem niszczącym o ile zapewnimy: I

Z

<P

TOT

/U

Z

3

Przez R

1

płynie prąd który jest sumą prądu diody Zenera oraz prądu obciążenia. Z prawa Kirchoffa:

U

RL

=U

1

-R

1

(I

RL

+I

Z

)

Jeżeli zmienia się wartość U

1

o np.

∆U

1

to aby napięcie na obciążeniu pozostało stałe musi zajść:

∆U

1

-R

1

(

∆I

Z

)=0

Jeśli natomiast zmieniać się będzie prąd obciążenia I

RL

o wartość

∆I

RL

to aby U

RL

pozostało stałe:

∆I

RL

= -

∆I

Z

Proces stabilizacji U

RL

przy zmianach napięcia U

1

przebiega następująco (Rys. 3):

U

1

↑ o ∆U

1

→ U

RL

↑ o ∆U

RL

→ I

1

=(I

DZ

+ I

RL

)

↑ → U

R1

↑→ ∆U

RL

’<

∆U

RL

Dobór wartości R

1

- dioda musi pracować poprawnie w całym zakładanym zakresie obciążeń i napięć wejściowych.

Największy prąd przez diodę popłynie przy rozwarciu na wyjściu i maksymalnym napięciu wejściowym. Nie może przekroczyć wartości
dopuszczalnego prądu diody wynikającego z dopuszczalnej mocy traconej Minimalny prąd przez diodę popłynie przy maksymalnym
obciążeniu na wyjściu i minimalnym napięciu wejściowym. Prąd w tych warunkach nie może być mniejszy niż prąd gwarantujący
poprawną pracę diody (stabilizację). Często przyjmujemy I

Zmin

= 0.1I

zmax

Rys. 3 Stabilizator napięcia z diodą Zenera. Możliwe określenia: równoległy parametryczny stabilizator napięcia.


Komentarz do temperaturowego współczynnika napięcia stabilizacji.

Cenną właściwością diod o U

Z

= 5..7V jest zerowy dryft napięcia stabilizacji pod wpływem temperatury, wynika ze współistnienia

mechanizmu Zenera i lawinowego.

dT

dU

U

Z

Z

1

=

β

Rys.4 Zależność

β=f(U

Z

) oraz zmiany punktu pracy w funkcji zmian temperatury.

Stabilizatory skompensowane: we wspólnej obudowie dioda na napięcie U

Z

> 6V (przebicie lawinowe) połączona szeregowo ze

złączem pracującym w kierunku przewodzenia. Dodatni współczynnik

β diody o przebiciu lawinowym kompensowany przez ujemny dryft

temperaturowy diody pracującej w kierunku przewodzenia (ok. -2mV/

o

C). Można uzyskiwać diody o

β < 10

-5

/

o

C, przy napięciach

stabilizacji powyżej 6,2V. Rezystancja dynamiczna silnie zależna od wartości napięcia stabilizacji (rodzaju diody) i prądu stabilizacji
(punktu pracy). Wyraźne minimum rezystancji dynamicznej dla napięć ~6..8V. Do stabilizacji napięć poniżej 3V stosuje się diody
krzemowe dyfuzyjne pracujące w przewodzeniu. Charakteryzują się dość gwałtownym wzrostem prądu dla napięcia polaryzacji
przekraczającego wartość napięcia progowego. Napięcie stabilizacji jest równe napięciu progowemu, czyli wynosi 0,75V dla pojedynczego
złącza co umożliwia uzyskanie napięć stabilizacji 1,5 oraz 2,2V. W Polsce produkuje się takie diody pod nomenklaturą BAP 814-816.

R

U

R

~220V

C

+

-

U

1

R

1

I

R1

I

Z

I

R

T

t

e

g

U

m

>>U

D

t

2

t

u

R

t

1

U

l

∆U

l

I

F

I

R

U

F

I

0

U

F

(I

0

)

Typowy zakres pracy
diody stabilizacyjnej

U

R

U

Z

U

Z

[V]

β x10

-4

/K

10

5

-5

-10

5

10

15

20

4

C) POMIARY

1. NIE PRZEKRACZAĆ PARAMETRÓW DOPUSZCZALNYCH ELEMENTÓW!!!
2. KAŻDA CHARAKTERYSTYKA POWINNA ZAWIERAĆ ~15 PKT. POMIAROWYCH.
3. POMIARY WYKONAĆ W ZAKRESIE PRĄDÓW 10nA do 0.8I

max

(różne dla kierunku zaporowego i przewodzenia!)

1. Zmierzyć charakterystyki I

F

= f(U

F

) oraz I

R

= f(U

R

) dla diody o U

Z

>7V i diody o U

z

<5V.

2. Zmontować układ prostownika półfalowego. Jako rezystor obciążenia użyć rezystora dekadowego początkowo
ustawionego na wartość około 100Ω. Jako źródło napięcia sinusoidalnego stosować generator pracujący na
częstotliwości ok. 50Hz. Zaobserwować i przerysować za pomocą oscyloskopu przebiegi napięcia na wyjściu
generatora, diodzie, rezystorze dekadowym. Te same przebiegi zaobserwować po dołączeniu pojemności
filtrującej o wartości kilkudziesięciu µF.
3. Po zmontowaniu obliczonych według założeń podanych przez prowadzącego rezystorów stabilizatora
parametrycznego:

a) sprawdzić, czy w założonych zakresach zmian napięcia wejściowego i prądu obciążenia stabilizatory

pracują poprawnie (jeśli nie - poprawić projekt),

b) zmierzyć charakterystyki wyjściowe stabilizatora (napięcie wyjściowe w funkcji prądu obciążenia) w

taki sposób, aby z pomiarów można było obliczyć dynamiczne rezystancje wyjściowe dla prądów obciążenia:
małego (rzędu miliampera), średniego i zbliżonego do maksymalnego. Zmierzyć dwie takie charakterystyki: przy
minimalnym i maksymalnym założonym napięciu wejściowym.

d) zmierzyć charakterystyki przejściowe U

WY

= f(U

WE

) stabilizatorów dla prądu maksymalnego i połowy

jego wartości przyjętej w obliczeniach wstępnych.
4. Dokonać obserwacji przebiegów napięć na diodzie prostowniczej, diodzie stabilizacyjnej i obciążeniu w
stabilizatorze parametrycznym. Dokonać pomiaru wartości napięcia zasilającego i na obciążeniu woltomierzem.

D) OPRACOWANIE I ANALIZA WYNIKÓW

1) Wykreślić charakterystyki diod, wyznaczyć: rezystancję szeregową Rs, prąd Io, oraz współczynnik złącza

η

.

2) Wyznaczyć w zakresie przewodzenia rezystancję różniczkową w 3 punktach charakterystyki dla każdej z diod.
3) Narysować na jednym wykresie charakterystyki diod w kierunku zaporowym, wyznaczyć rezystancję

różniczkową w co najmniej trzech punktach charakterystyki w zakresie przebicia, i raz przed przebiciem.

4) Wykreślić i skomentować zmierzone ch-ki stabilizatora parametrycznego. Wyznaczyć dynamiczne rezystancje
wyjściowe, współczynniki stabilizacji napięciowej i sprawność badanych układów w kilku wybranych punktach.
5) Porównać obliczone parametry diod z danymi katalogowymi.
6) Przedstawić i skomentować przebiegi zaobserwowane na oscyloskopie.
7) Do sprawozdania dołączyć własne wnioski i spostrzeżenia.

Tab.1. Wybrane parametry niektórych diod:

U

R

[V]

U

RM

[V]

I

F

[mA]

I

FM

[mA]

t

j

[

0

C]

U

F

[V]

I

R

[mA]

U

Z

[V]

TKU

Z

10

-4

/K

r

Z

Ω

P

tot

[W]

BYP401...

50-1000 100-

1000

1000 5000 175

1.1

(przy I

F

=1A)

0.005

(przy U

R

=50V)

- - -

-

BAP811

- 6

50

-

150

1.5-1.7 0.001

(przy U

R

=6V)

1.5-1.7 -20 20

BZP650...

U

Z

=3-35 7.0-7.9 -

- 150

1.2

(przy I

F

=0.5A)

- U

Z

=7.5 +9 4 1.2

D22 10-02

- 200

10

190

140 1.2

(przy I

F

=150A)

- -

-

-

-

BZP 683...

U

Z

=3.3

÷33V

- - - 150 1.1

- U

Z

=3.3

-33V

-6

÷

+9

10

÷90

0.4

LITERATURA

POMOCNICZA

:

1.

W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”

2.

A. Kusy „Podstawy elektroniki”

3. „Elementy półprzewodnikowe i układy scalone” (katalog)
4. J.Kołodziejski, L.Spiralski, „Pomiary przrządów półprzewodnikowych” i WkiŁ 1990
5. Tietze U, Schenk C. Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1987
6.

Stadler A., Kusy A. Kolek A. Elektronika. Zbór zadań. Cz.1 i Cz.2 Podstawowe układy elektroniczne