POLITECHNIKA

RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki 2012-03-03

1

DIODY cz.2

DIODY STABILIZACYJNE I STABILIZATORY

Celem ćwiczenia jest wykonanie pomiarów charakterystyk statycznych diod stabilizacyjnych

oraz prostych układów stabilizatorów.

A) Zagadnienia do samodzielnego opracowania przed zajęciami

 Zapoznać się z teoretycznymi podstawami działania i danymi katalogowymi diod

stabilizacyjnych.

 Przygotować i przeanalizować schematy pomiarowe.

 Zaprojektować w sposób ogólny stabilizator parametryczny ( Rys.1) i kompensacyjny w

układzie wtórnika z tranzystorem BJT (Rys.2) o zadanych parametrach (przygotować wzory tak,
aby można było szybko wstawić wartości liczbowe i uzyskać końcowe wyniki).

 Określić maksymalne dopuszczalne bezpieczne zakresy pomiarowe.

 Zaproponować układ pomiarowy i metodę doświadczalnego wyznaczenia h

21E

tranzystora BJT.

B) Pomiary

Uwagi wstępne:

 Zapoznać się z parametrami katalogowymi badanych diod.
 Podczas pomiarów nie przekraczać wartości parametrów dopuszczalnych elementów.

 Każda charakterystyka powinna zawierać około 10 pkt. pomiarowych.

 Pomiary wykonać w możliwie dużym, ale bezpiecznym zakresie zmian prądów i napięć.

1. Zmierzyć charakterystyki I

F

=f(U

F

) oraz I

R

=f(U

R

). Zwrócić szczególną uwagę na pomiar

charakterystyki w kierunku zaporowym uwzględniając zakres blokowania i przebicia Zenera.

2. Dla stabilizatora parametrycznego należy sprawdzić teoretycznie czy, zgodnie z założeniami

projektowymi w zakładanych zakresach zmian napięcia wejściowego i prądu obciążenia,
stabilizator będzie pracował poprawnie, a elementy nie ulegną uszkodzeniu. Jeśli nie – poprawić
projekt. Ustalić maksymalne i minimalne wartości regulacyjne w układzie.

3. Zmontować układ stabilizatora parametrycznego (Rys.1) z diodą mierzoną w pkt. 1 oraz

odpowiednio dobranym rezystorem R. Jako rezystor R

O

zastosować rezystor dekadowy. Zwrócić

uwagę na maksymalne wartości prądu poszczególnych dekad.

4. Zmierzyć charakterystyki przejściowe U

WY

=f(U

WE

)

RL=const

stabilizatora dla stanu jałowego

i prądu równego około połowy jego wartości przyjętej w obliczeniach wstępnych dla warunków
znamionowych.

5. Zmierzyć charakterystyki wyjściowe stabilizatora U

WY

=f(I

WY

) tzn. napięcie wyjściowe w

funkcji prądu obciążenia w takim zakresie, aby z pomiarów można było obliczyć dynamiczne
rezystancje wyjściowe dla prądów obciążenia: małego (rzędu kilku miliamperów), średniego
i zbliżonego do maksymalnego. Charakterystyki: zmierzyć przy minimalnym, średnim
i maksymalnym założonym napięciu wejściowym.

6. Wyznaczyć doświadczalnie wartość parametru h

21E

zastosowanego tranzystora BJT.

7. Zrealizować pomiary według pkt.2-5 dla stabilizatora kompensacyjnego (Rys.2).

Rys.1 Układ stabilizatora parametrycznego

POLITECHNIKA

RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki 2012-03-03

2

Rys.2 Układ stabilizatora kompensacyjnego wtórnikowego.

C) Opracowanie i analiza wyników

1. Narysować zmierzone charakterystyki diod w kierunku przewodzenia na jednym wykresie.

Punkty pomiarowe powinny być widoczne na charakterystykach.

2. Dla badanych diod wyznaczyć: rezystancję szeregową R

S

, prąd I

0

oraz współczynnik złącza



dla kierunku przewodzenia.

3. Dla trzech wartości prądu I

F

dla każdej z diod wyznaczyć rezystancję różniczkową r

r

 U

F

/

I

F

.

4. Narysować na jednym wykresie zmierzone charakterystyki diod w kierunku zaporowym.

Wyznaczyć rezystancję różniczkową r

z

 U

z

/

I

z

, w co najmniej trzech punktach w zakresie

stabilizacji. Porównać obliczone parametry diod z danymi katalogowymi.

5. Wykreślić i dokonać analizy wszystkich zmierzonych charakterystyk dla stabilizatora

parametrycznego i kompensacyjnego.

6. Wyznaczyć dynamiczne rezystancje wyjściowe, współczynniki stabilizacji napięciowej

badanych układów w kilku wybranych punktach.

7. W sprawozdaniu umieścić własne wnioski i spostrzeżenia.

D) Dodatek

1. Przebicie złącza p-n

w diodach stabilizacyjnych

Przebicie złącza p-n objawia się gwałtownym wzrostem 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.

POLITECHNIKA

RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki 2012-03-03

3

I

Z

U

D

+U(<0)

q(U

D

+U)

p+

n+

qU

+

−

E

Fp

E

Fn

Elektron

inicjujący

powielanie

lawinowe

d

n

p

(U

D

+U)

+

a)

b)

−

d

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.

2. Dioda w układzie stabilizacji napięcia

Do najważniejszych parametrów charakterystycznych diod stabilizacyjnych zalicza się:

– prądy i napięcia w kierunku przewodzenia i zaporowym przed przebiciem – jak dla diody

prostowniczej,

– napięcie stabilizacji U

Z

zwykle przy I=0.1I

Zmax

i rozrzut jego wartości dla określonego typu

diody,

– temperaturowy współczynnik zmian napięcia stabilizacji

 (bezwzględny, wyrażony w 1/

o

C

lub %/

o

C),

– parametr dynamiczny – rezystancja dynamiczna 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 to:

– maksymalny prąd przewodzenia I

Fmax

(w stab. dużej mocy dopuszczalny szczytowy prąd

przewodzenia I

FMmax

),

–

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.

3. Stabilizator parametryczny

Poprawę jakości działania prostownika uzyskuje się w układzie, w którym równolegle do

obciążenia dołącza się diodę stabilizacyjną. Zmiany napięcia wyjściowego pod wpływem zmian
prądu obciążenia będą tym mniejsze im bardziej stromo przebiega jej charakterystyka, czyli im
mniejszy jest stosunek

U/I. Definiuje on rezystancję dynamiczną diody:

r

Z

=

U

Z

/

I

Z

.

Przykład zastosowania diody stabilizacyjnej w stabilizatorze parametrycznym napięcia przedstawia
rys. 2.

POLITECHNIKA

RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki 2012-03-03

4

R

L

U

Z

~220V

C

+

–

U

1

R

1

I

R1

I

Z

I

R

T

t

e

g

U

m

>>Uz

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

Rys. 2. Prostownik z równoległym parametrycznym stabilizatorem napięcia (z diodą Zenera).

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. Rezystor R

1

należy zastosować w

celu ograniczenia prądu płynącego przez diodę do wartości dopuszczalnej dla danego egzemplarza
– przebicie nie jest zjawiskiem niszczącym, o ile zapewni się: I

Z

< P

TOT

/U

Z

.

Przez R

1

płynie prąd będący 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

można przedstawić schematycznie:

U

1

 o U

1

 U

RL

 o U

RL

 I

1

= (I

DZ

+ I

RL

)

  U

R1

 U

RL

’<

U

RL

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 przyjmuje się I

Zmin

= 0,1·I

zmax

.

4. Temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji

Cenną właściwością diod o U

Z

= 5 – 7V jest zerowy dryf napięcia stabilizacji pod wpływem

temperatury (rys. 3.). Wynika to ze współistnienia mechanizmu przewodnictwa Zenera i
lawinowego.

POLITECHNIKA

RZESZOWSKA

Katedra Podstaw Elektroniki 2012-03-03

5

dT

dU

U

Z

Z

1





U

Z

[V]

·10

−4

/K

10

5

-5

-10

5

10

15

20

Rys. 3. Zależność

=f(U

Z

) oraz zmiany punktu pracy w funkcji zmian temperatury.

Stabilizatory skompensowane posiadają we wspólnej obudowie diodę o napięciu U

Z

> 6V

(gdzie dominującą rolę odgrywa przebicie lawinowe), połączoną szeregowo ze złączem pracującym
w kierunku przewodzenia. Dodatni współczynnik

 diody o przebiciu lawinowym kompensowany

jest przez ujemny dryft temperaturowy diody pracującej w kierunku przewodzenia (ok. –2mV/

o

C).

W ten sposób można uzyskiwać diody o

 < 10

–5

/

o

C, przy napięciach stabilizacji powyżej 6,2V.

Rezystancja dynamiczna silnie zależy 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 stanie
przewodzenia. Charakteryzują się one 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. Polskie diody tego typu maja oznaczenie BAP 814-816.