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 >1019/cm-3.). Złącze ma małą
szerokość, poziom Fermiego leży powyżej EC lub poniżej EV: 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 IE . Przy polaryzacji w kierunku zaporowym przeważa składowa Zenera
Dla zjawiska Zenera charakterystyczna jest mała wartość napięcia przebicia, UpZ <4Eg/q , w przypadku złącza krzemowego
oznacza to UpZ <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, UpZ >4Eg/q , w przypadku złącza
krzemowego oznacza to UpZ >7V.
a) UD+U(<0) b)
-
+
-
+
Elektron
q(UD+U)
inicjujÄ…cy
EFp
powielanie
IZ qU
lawinowe
EFn
p+
n
p
n+ d
d
Rys. 1 a) Model pasmowy złącza silnie domieszkowanego przy polaryzacji zaporowej - dominuje składowa prądu Zenera IZ .
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 z
ródła
pierwotnego. Dla stabilizatorów napięć stałych typowym z
ródłem 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, przekaz
ników, chwilowo uruchamianych
silników. Podstawowe parametry stabilizatora są związane z jego charakterystyką wyjściową U2 = f(I2) obrazującą zależność napięcia
wyjściowego U2 od prądu obciążenia I2 (przy stałym napięciu wejściowym U1). W typowej charakterystyce stabilizatora wyodrębnia się
dwie części: zakres stabilizacji (normalnej pracy) i zakres przeciążenia .
1
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 U2 = f(I2) 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:
"U "U
2 2
SU = - współczynnik stabilizacji napięcia; ST = - współczynnik temperaturowy;
"U1 U "T
2
"U U I2
2 2
RO = - - rezystancja a wyjÅ›ciowa; · = - sprawność energetyczna
"I U1I1
2
Współczynnik SU jest podstawowym parametrem stabilizatora. W prostych stabilizatorach parametrycznych wartość SU zwykle mieści się
w zakresie 0,1- 0,01, w stabilizatorach ze sprzężeniem zwrotnym natomiast przeciętnie SU jest rzędu 0,0001.
Współczynnik ST zależy od konstrukcji stabilizatora i od nakładu wysiłków do skompensowania wpływu temperatury. Wartości typowe ST
mieszczą się w zakresie od + 0,01 %/K do około ą 0,001 %/K w układach skompensowanych termicznie.
Rezystancja wyjściowa Ro 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 rezystancjÄ™ dynamicznÄ…: rZ = "UZ/"IZ,
Najważniejsze parametrów charakterystyczne diod stabilizacyjnych:
- prądy i napięcia w kierunku przewodzenia i zaporowym przed przebiciem - jak dla diody prostowniczej;
- napięcie stabilizacji UZ zwykle przy I=0.1IZmax , rozrzut jego wartości dla określonego typu diody;
- temperaturowy współczynnik zmian napiÄ™cia stabilizacji ² (bezwzglÄ™dny, wyrażony w 1/oC lub %/oC);
- rezystancjÄ™ dynamicznÄ… w zakresie zaporowym - rZ = "UZ/"IZ (przyrostowo);
- prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR (zwykle przy UR = 1V);
Najważniejsze parametry dopuszczalne:
- maksymalny prąd przewodzenia IF max (w stab. dużej mocy dopuszczalny szczytowy prąd przewodzenia IFM max);
- maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji najczęściej wyznaczany z zależności: IZmax = PTOT/UZ
- maksymalna temperatura złącza TJmax (zwykle 150oC)
- maksymalna moc strat Pmax podawana dla Ta= 25oC
Podstawowym zadaniem każdego stabilizatora jest uniezależnienie napięcia na obciążeniu od zmian napięcia wejściowego, oraz zmian
rezystancji obciążenia RL. Zmiany RL powodują zmiany prądu obciążenia, a te z kolei wywołują określone spadki napięcia na R1 oraz na
rezystancji prostownika. W rezultacie napięcie na obciążeniu ulega zmianie. R1 musimy zastosować w celu ograniczenia prądu płynącego
przez diodę do wartości dopuszczalnej dla danego egzemplarza - przebicie nie jest zjawiskiem niszczącym o ile zapewnimy: IZ 2
Przez R1 płynie prąd który jest sumą prądu diody Zenera oraz prądu obciążenia. Z prawa Kirchoffa:
URL =U1 -R1 (IRL +IZ)
Jeżeli zmienia się wartość U1 o np. "U1 to aby napięcie na obciążeniu pozostało stałe musi zajść: "U1 -R1 ("IZ)=0
Jeśli natomiast zmieniać się będzie prąd obciążenia IRL o wartość "IRL to aby URL pozostało stałe: "IRL= -"IZ
Proces stabilizacji URL przy zmianach napięcia U1 przebiega następująco (Rys. 3):
U1 Ä™! o "U1 URL Ä™! o "URL I1=(IDZ + IRL )Ä™! UR1 Ä™! "URL < "URL
Dobór wartości R1 - 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 IZmin = 0.1Izmax
IR1 +
R1
~220V
UR R
C
U1 IZ
-IR
eg
IF
Um>>UD
I0
t
UR
UZ
T
UF
UF(I0)
IR
uR
Typowy zakres pracy
"Ul
diody stabilizacyjnej
Ul
t
t1 t2
Rys. 3 Stabilizator napięcia z diodą Zenera. Możliwe określenia: równoległy parametryczny stabilizator napięcia.
Komentarz do temperaturowego współczynnika napięcia stabilizacji.
Cenną właściwością diod o UZ = 5..7V jest zerowy dryft napięcia stabilizacji pod wpływem temperatury, wynika ze współistnienia
mechanizmu Zenera i lawinowego.
² x10-4/K
10
UZ [V]
5
5 10
15
20
1 dUZ
-5
² =
-10
UZ dT
Rys.4 Zależność ²=f(UZ) oraz zmiany punktu pracy w funkcji zmian temperatury.
Stabilizatory skompensowane: we wspólnej obudowie dioda na napięcie UZ > 6V (przebicie lawinowe) połączona szeregowo ze
zÅ‚Ä…czem pracujÄ…cym w kierunku przewodzenia. Dodatni współczynnik ² diody o przebiciu lawinowym kompensowany przez ujemny dryft
temperaturowy diody pracujÄ…cej w kierunku przewodzenia (ok. -2mV/oC). Można uzyskiwać diody o ² < 10-5/oC, przy napiÄ™ciach
stabilizacji powyżej 6,2V. Rezystancja dynamiczna silnie zależna od wartości napięcia stabilizacji (rodzaju diody) i prądu stabilizacji
(punktu pracy). Wyraz
ne 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.
3
C) POMIARY
1. NIE PRZEKRACZAĆ PARAMETRÓW DOPUSZCZALNYCH ELEMENTÓW!!!
2. KAŻDA CHARAKTERYSTYKA POWINNA ZAWIERAĆ ~15 PKT. POMIAROWYCH.
3. POMIARY WYKONAĆ W ZAKRESIE PR
DÓW 10nA do 0.8Imax (różne dla kierunku zaporowego i przewodzenia!)
1. Zmierzyć charakterystyki IF = f(UF) oraz IR = f(UR) dla diody o UZ>7V i diody o Uz<5V.
2. Zmontować układ prostownika półfalowego. Jako rezystor obciążenia użyć rezystora dekadowego początkowo
ustawionego na wartość około 100&!. Jako z
ródło 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
filtrujÄ…cej o wartoÅ›ci kilkudziesiÄ™ciu 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 UWY = f(UWE) 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) WykreÅ›lić charakterystyki diod, wyznaczyć: rezystancjÄ™ szeregowÄ… Rs, prÄ…d Io, oraz współczynnik zÅ‚Ä…cza ·.
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:
UR URM IF IFM tj UF IR UZ TKUZ rZ Ptot
[V] [V] [mA] [mA] [0C] [V] [mA] [V] 10-4/K [W]
&!
50-1000 100- 1000 5000 175 1.1 0.005 - - - -
BYP401...
(przy IF=1A)
1000 (przy UR=50V)
- 6 50 - 150 1.5-1.7 0.001 1.5-1.7 -20 20
BAP811
(przy UR=6V)
UZ=3-35 7.0-7.9 - - 150 1.2 - UZ=7.5 +9 4 1.2
BZP650...
(przy IF=0.5A)
- 200 10 190 140 1.2 - - - - -
D22 10-02
(przy IF=150A)
0.4
BZP 683... UZ=3.3÷33V - - - 150 1.1 - UZ=3.3 -6÷ 10÷90
-33V
+9
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 WkiA
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
4