Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Opracował zespół: Marek Panek, Waldemar Oleszkiewicz, Ryszard Korbutowicz, Iwona
Zborowska-Lindert, Bogdan Paszkiewicz, Małgorzata Kramkowska, Zdzisław Synowiec,
Beata Ściana, Irena Zubel, Tomasz Ohly, Bogusław Boratyński

Ćwiczenie nr 4

Stabilizator napięcia z diodą Zenera

I.

Zagadnienia do samodzielnego przygotowania

-

Budowa złącza p-n oraz charakterystyka I-U

-

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera.

-

Efekt Zenera i efekt powielania lawinowego - wyjaśnić na modelu pasmowym.

-

Parametry katalogowe diody stabilizacyjnej

-

Schemat i zasada działania stabilizatora napięcia z diodą Zenera

II. Program zajęć

-

Pomiar charakterystyki I-U diody Zenera.

-

Projekt układu stabilizatora napięcia

-

Pomiary współczynnika stabilizacji napięcia zbudowanego układu

III. Literatura

1.

Notatki z WYKŁADU

2.

W. Marciniak - Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone

3.

A. Świt, J. Pułtorak - Przyrządy półprzewodnikowe

4.

Poradnik Inżyniera Elektronika

Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą

urządzeń elektrycznych.

2

1

Wiadomości wstępne

1.1

Przebicie złącza p-n

Przy polaryzacji zaporowej złącza p-n zależność I-U 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 natężenia
płynącego prądu, podczas gdy napięcie na złączu zmienia się w bardzo niewielkim stopniu.
Dwa podstawowe mechanizmy powodujące przebicie złącza to zjawisko Zenera i zjawisko
powielania lawinowego nośników.

Efekt Zenera polega na tunelowym przejściu elektronu (tzn. bez zmiany energii)

z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Występuje on przede
wszystkim w półprzewodnikach silnie domieszkowanych gdzie w cienkim obszarze warstwy
zubożonej złącza p-n, występuje silne pole elektryczne (

≈

10

8

V/m).

warstwa

zubo

ż

ona

p

n

W

C

W

V

W

W

F

W

g

Rys. 1. Model pasmowy złącza p-n z zaznaczonym efektem Zenera – tunelowe przejście

elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa.

W

W

C

W

V

W

F

warstwa

zubo

ż

ona

p

n

W

g

Rys. 2. Model pasmowy złącza p-n z zaznaczonym zjawiskiem powielania lawinowego -

wzrost liczby nośników prądu w warstwie zaporowej.

Zjawisko powielania lawinowego polega na powielaniu nośników prądu w warstwie

zubożonej złącza p-n, w wyniku zderzeń elektronów z atomami sieci krystalicznej. Powoduje
to zerwanie wiązania kowalencyjnego i powstanie swobodnego elektronu oraz swobodnej
dziury. Efekt ten występuje w złączu słabo domieszkowanym kiedy grubość złącza znacznie
przekracza średnią drogę swobodną elektronu, a więc istnieje duże prawdopodobieństwo
uzyskania dużej energii przez elektron w polu elektrycznym złącza.

3

Przebicie złącza p-n wykorzystuje się w diodach stabilizacyjnych, zwanych też

diodami Zenera służących m.in. do budowy układów stabilizatorów napięcia.

1.2

Charakterystyka prądowo napięciowa diody Zenera

Podczas polaryzacji w kierunku przewodzenia krzemowa dioda Zenera zachowuje się

tak jak każda dioda, tzn. spadek napięcia na niej jest niewielki i wynosi ok. 0,6

÷

0,7 V. Przy

polaryzacji zaporowej, dla pewnej wartości napięcia – zależnej od konstrukcji diody
(domieszkowania) – występuje gwałtowny wzrost natężenia prądu i bardzo niewielka zmiana
napięcia. Tę właściwość wykorzystuje się stosując diodę Zenera jako element stabilizacyjny,
tzn. zapewniający prawie stałą wartość napięcia na zaciskach niezależną od natężenie
przepływającego prądu. Dla diod o napięciu przebicia w zakresie 2

÷

5 V dominuje efekt

Zenera, a dla diod o napięciu przebicia powyżej 10V dominuje zjawisko powielania
lawinowego.

I

U

I

Zmin

I

Zmax

P

max

hiperbola mocy

admisyjnej

U

Zmin

U

Zmax

1

2

1

2

I

I

U

U

dI

dU

r

z

−

−

≅

=

U

Z

I

1

U

1

U

2

I

2

Rys. 3. Charakterystyka diody Zenera przy polaryzacji zaporowej

Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę diody Zenera spolaryzowanej

w kierunku zaporowym wraz z jej podstawowymi parametrami:

U

Z

– napięcie Zenera,

I

Zmin

– minimalny prąd wsteczny (przy mniejszych wartościach prądu dioda nie

ma właściwości stabilizacyjnych),

I

Zmax

– maksymalny prąd wsteczny (przy większych wartościach prądu dioda

może ulec uszkodzeniu),

r

z

– rezystancja dynamiczna diody w zakresie przebicia złącza.

Przykładowe oznaczenie diody Zenera: BZP 620 - C3V3

Pierwsza litera oznacza materiał, z jakiego wykonana została dioda (B – krzem), litera

druga mówi o rodzaju diody (Z – dioda Zenera), litera trzecia, opcjonalna (P – wykonanie
polskie). Kolejne trzy cyfry oznaczają typ diody. Czwarta litera oznacza tolerancję
nominalnego napięcia przebicia (U

Znom

) diody:

C - tolerancja 5%

czyli: U

Z

= U

Znom

± 5%U

Znom

D - tolerancja 10%

U

Z

= U

Znom

± 10%U

Znom

Ostatnie trzy znaki mówią o nominalnym napięciu stabilizacji diody, 3V3 – oznacza

3,3 V (znak V oznacza przecinek). Zwykle napięcie nominalne podawane jest dla 0,1 I

Zmax

.

4

1.3

Projekt stabilizatora z diodą Zenera

Na rys. 4 pokazano podstawowy schemat układu stabilizatora opartego na diodzie

Zenera. Na rys. 5 przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową diody dla polaryzacji
zaporowej (2), charakterystykę I-U rezystora obciążenia R

0

(1) oraz wynikową

charakterystykę I-U układu z obciążeniem R

0

dołączonym równolegle do diody Zenera na

wyjściu układu stabilizatora (3). Całkowity prąd w rezystorze R

s

jest sumą prądu płynącego

przez diodę i obciążenie. Linią przerywaną naniesiono proste pracy wynikające z możliwych
do przyjęcia wartości rezystora szeregowego R

s

oraz szczytowych wartości napięcia

wejściowego, tzn. amplitud

∆

U

we

(napięcia tętnienia) „nałożonych” na poziom napięcia

stałego U

we

. Linie te definiują dopuszczalny zakres położenia faktycznej prostej pracy.

Chwilowa wartość punktu pracy znajduje się zawsze w punkcie przecięcia prostej pracy i
charakterystyki I-U diody.
Zadaniem układu jest zmniejszenie amplitud napięcia wejściowego (

∆∆∆∆

U

wy

) do

niewielkich amplitud (

∆∆∆∆

U

wy

) napięcia wyjściowego, które jest napięciem stabilizowanym.

Rys. 4. Schemat układu stabilizatora opartego na diodzie Zenera

Rys. 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa stabilizatora z diodą Zenera

Zmiana napięcia wejściowego U

we

o

±∆

U

we

powoduje zmianę położenia punktu pracy

na charakterystyce wypadkowej stabilizatora. Aby układ stabilizował punkt pracy powinien
“poruszać się” w dopuszczalnym zakresie prądów I

zmax

÷

I

zmin

. Poniżej wartości I

zmin

układ

≈

±

∆

∆

∆

I

Zmin

I

Zmax

R

S min

R

S max

U

we

U +

we

U -

we

U

we

U

we

1

2

3

1

2

3

charakterystyka obciążenia

charakterystyka diody Zenera

charakterystyka wypadkowa

I

U

1
R

0

prosta

pracy

5

traci własność stabilizacji (zmiana kształtu charakterystyki diody), zaś powyżej wartości I

zmax

występuje niebezpieczeństwo termicznego zniszczenia diody (przekroczenie mocy
dopuszczalnej). Wartość rezystora szeregowego R

s

decyduje o nachyleniu faktycznej prostej

pracy, a więc decyduje o prawidłowej pracy stabilizatora.

Zadanie właściwego zaprojektowania stabilizatora sprowadza się głównie do

problemu prawidłowego dobrania wartości R

s

(przy danych wartościach R

0

, U

Z

i U

we

).

Jakość stabilizacji napięcia charakteryzuje współczynnik stabilizacji zdefiniowany

jako stosunek względnej zmiany napięcia wyjściowego do względnej zmiany napięcia
wejściowego, czyli:

we

we

wy

wy

U

U

U

U

k

∆

∆

=

Oczywiste jest że, im k ma mniejszą wartość tym lepsza
jest stabilizacja układu (typowe wartości: k=0,02

÷

0,05).

Układ zastępczy stabilizatora dla składowej zmiennej napięcia

∆

U (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

.

Rys. 6. Układ zastępczy stabilizatora dla składowej zmiennej napięcia

Rezystancje R

s

oraz równolegle połączone r

z

||R

0

tworzą dzielnik napięcia. Na podstawie

analizy powyższego układu można napisać, że:

z

o

o

z

s

z

o

o

z

we

wy

r

R

R

r

R

r

R

R

r

U

U

+

⋅

+

+

⋅

=

∆

∆

Zwykle r

z

<< R

o

, a R

s

>> r

z

, tak więc można napisać, że

s

z

we

wy

R

r

U

U

≈

∆

∆

Wstawiając powyższe wyrażenie do wzoru na k otrzymujemy:

wy

we

s

z

U

U

R

r

k

⋅

=

Na podstawie tego wzoru widać, że układ ma tym lepsze własności stabilizacyjne im wartość
rezystancji szeregowej R

s

jest większa, a wartość rezystancji dynamicznej r

z

diody - mniejsza.

Wartość rezystancji dynamicznej r

z

możemy obliczyć na podstawie zmierzonej

charakterystyki diody (jak na rys. 3) lub w przypadku stałego nachylenia charakterystyki:

r

U

U

I

I

z

Z

Z

Z

Z

=

−
−

max

min

max

min

R

S

R

0

r

Z

U

wy

U

we

∆

∆

6

Gdy napięcie zasilające wyniesie U

we

+

∆

U

we

wtedy prąd płynący przez układ jest

maksymalny, a wartość rezystancji R

S

nie może być mniejsza od R

Smin

:

(

)

o

z

Z

z

we

we

S

R

U

I

U

U

U

R

+

−

∆

+

=

max

min

gdzie:

U

R

z

o

- prąd obciążenia

U

Z

- nominalne napięcie stabilizacji

Gdy napięcie zasilające wyniesie U

we

-

∆

U

we

, to wówczas prąd płynący przez układ

jest najmniejszy a wartość rezystancji ograniczającej prąd nie może być większa od wartości
R

Smax

(

)

O

Z

Z

Z

we

we

S

R

U

I

U

U

U

R

+

−

∆

−

=

min

max

Obliczenia określają dozwolony zakres wartości rezystora R

S

. Dla uzyskania możliwie

małych wartości k wybieramy wartość rezystora możliwie bliską wartości R

Smax

.

Należy jednak pamiętać iż duża wartość rezystora R

S

jest okupiona dużym spadkiem

napięcia na nim i stratą mocy w stabilizatorze. A więc należy szukać kompromisu.

Założenia projektowe:

Aby zaprojektować stabilizator przyjmujemy następujące założenia:

U

we

~ 1,5 U

Z

gdzie: U

z

pożądane napięcie stabilizowane (w naszym przypadku

napięcie Zenera dostępnej diody)

∆

U

we

=

±

10%U

we

I

Zmax

= P

max

/U

Z

I

Zmin

- określane na podstawie charakterystyki

R

o

≈

1

÷

10 k

Ω

2

Kolejność zadań do wykonania

1.

Pomiar charakterystyki I-U wyznaczonej diody Zenera w zakresie zaporowym i

wyznaczenie parametrów charakterystycznych, w tym U

Z

, I

Zmin

oraz r

z

.

2.

Obliczenie rezystancji szeregowej R

s

i spodziewanej wartości współczynnika k.

3.

Montaż układu stabilizatora.

4.

Podłączenie zasilania i pomiary przebiegów napięciowych na oscyloskopie.

5.

Obliczenia współczynnika stabilizacji układu dla dwóch wartości rezystancji

obciążenia R

o

(np.: 1k, 10k).

7

3

Pomiary i obliczenia

3.1

Pomiar charakterystyki I-U diody Zenera i wyznaczenie napięcia przebicia U

z

oraz rezystancji dynamicznej r

z

.

Podstawową metodą wykorzystywaną do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych jest
metoda techniczna. Układ pomiarowy przedstawiono na rys.7. Zasilacz napięciowy wymusza
przepływ prądu w obwodzie Dokonując odczytów wartości prądów i napięć w kolejnych
punktach charakterystyki sporządzamy tabelę wyników i tworzymy wykres zależności I=f(U).
Mierniki prądu i napięcia (multimetry cyfrowe) mogą być podłączone łączem RS-232 do
komputera i za pomocą programu REJESTRATOR wyniki pomiarów mogą być zapamiętane
i przetworzone na wykres charakterystyki I-U (zapoznaj się z instrukcją dotyczącą tego
programu). W tej konfiguracji układu stosujemy zasilacz z liniowym narostem napięcia w
czasie. W przypadku diody Zenera interesuje nas przede wszystkim zakres napięć, w którym
obserwujemy gwałtowny wzrost prądu w kierunku zaporowym.

Zasilacz z narostem

napięcia U=f(t)

badana

dioda

10

Ω

mA

V

V

Rys. 7 Układ do pomiaru charakterystyki I-U diody Zenera.

Procedura:

1. Odczytać w danych katalogowych parametry dopuszczalne badanej diody.
2. Obliczyć maksymalny prąd wsteczny diody I

Zmax

wynikający z maksymalnej mocy

admisyjnej diody. Ustawić ograniczenie prądu zasilacza na około 0,4 I

Zmax

aby uniknąć

nadmiernego nagrzewania elementu (praktycznie wystarczy zmierzyć charakterystykę I-U
do wartości prądu 40mA). W tym układzie ograniczenie stanowi natężenie prądu diody,
wobec tego nastawione maksymalne napięcie zasilacza może i powinno przekraczać napięcie
Zenera danej diody. W ten sposób charakterystyka będzie zmierzona do wartości ograniczenia
prądowego i zobrazuje cały obszar pracy diody. Gdy ustawienie zakresu napięcia będzie za
małe (np. równe napięciu nominalnemu U

Z

), zmierzymy tylko fragment charakterystyki

diody.
3. Zmierzyć charakterystykę I-U w układzie przedstawionym na rys. 7 i wykreślić wykres w
zakresie normalnej pracy diody Zenera.
4. Na sporządzonym wykresie (uzyskanym wydruku) charakterystyki I-U zaznaczyć
zakres napięć pracy wynikający z wartości I

Zmin

i I

Zmax

. Wyznaczyć parametry diody:

U

Z

oraz r

z

. Nanieść także punkt mocy dopuszczalnej diody.

5. Sprawdzić czy dioda spełnia pod względem tolerancji napięcia U

Z

dane katalogowe dla

danego typu diody.

8

3.2

Obliczenie i pomiary układu stabilizatora napięcia z diodą Zenera.

Procedura:

1. Wykonać obliczenia rezystora R

s

oraz przewidywanego współczynnika stabilizacji wg.

wskazówek podanych w p. 1.3 oraz uwzględniając wyniki pomiarów, p. 3.1.
2. Połączyć obwód jak na rys.8. Generator z transformatorem separującym (na płytce) stanowi
ź

ródło tętnień dodawanych do stałego napięcia zasilacza. Stanowi to dobrą symulację

napięcia, które zapewnia prostownik z filtrem pojemnościowym (układ zasilacza znany z
Ć

w. 3). Ustawić napięcie zasilacza DC U

we

=1,5 U

Z.

Ustawić sygnał (sin, f<400Hz) z

generatora tak aby uzyskać tętnienia na wejściu U

B

=

∆

U

we

=

±

10%U

we

Rys.8 Schemat montażowy układu stabilizatora napięcia

3. Wykonać pomiary przebiegów napięciowych na wejściu stabilizatora U

we

=U

B

(CH1)

i na wyjściu stabilizatora U

wy

=U

C

(CH2) - porównaj także schematy z rys.4 i rys.6.

W celu obserwacji i pomiaru przebiegów całkowitego napięcia (DC tętnień) ustawić wejścia
kanałów w trybie DC.
W celu dokładnego pomiaru tętnień ustawić wejścia kanałów w trybie AC. Ustawić
odpowiednie narzędzia pomiarowe ekranu (menu Measure) do wyznaczenia wielkości
amplitudy napięcia tętnień U

pp

.

Przebiegi oscyloskopowe zapamiętać i wydrukować (jeśli oscyloskop jest połączony z
drukarką lub z komputerem aplikacją DSO3000). Do wydruku usunąć kolor (tylko B&W).
Opisać uzyskane wydruki przebiegów.
4. Obliczyć współczynnik stabilizacji napięcia, k .
Wykonać powyższe pomiary dla dwóch wartości obciążenia R

o

. (jeśli czas pozwoli).

4

Wnioski

Podsumowanie wyników opracowanych na załączonych i uzupełnionych odręcznie
charakterystykach i przebiegach sygnałów napięciowych.