Jakub Matykiewicz

Krzysztof Cieślak

Grzegorz Szramkowski

Krzysztof Piasecki

Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy

Mechanika i Budowa maszyn

Semestr VI

Elektronika i elektrotechnika

Laboratorium

„Badanie diody prostowniczej i diody Zenera”

Wstęp teoretyczny

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, zasady działania diody półprzewodnikowej oraz wyznaczenie jej charakterystyki prądowo-napięciowej.

Jedną z najczęściej stosowanych diod półprzewodnikowych jest dioda prostownicza. Diody prostownicze stosuje się głównie w układach prostowniczych urządzeń zasilających, które przekształcają prąd zmienny w jednokierunkowy prąd pulsujący. W układzie prostowniczym dioda spełnia funkcję zaworu jednokierunkowego. Wykorzystuje się tu właściwość polegającą na różnicy zdolności przewodzenia prądu w kierunku wstecznym i w kierunku przewodzenia. Ponieważ przez diodę prostowniczą płyną na ogół stosunkowo duże prądy w kierunku przewodzenia, więc jest ona najczęściej diodą warstwową (obecnie głównie z krzemu, rzadziej z germanu). Właściwości diody prostowniczej najlepiej obrazuje jej charakterystyka prądowo- napięciowa. W układzie uproszczonym krzywą zastępujemy dwiema prostymi.

I = 0 gdy U < U_TO

U_F

I_F =  gdy U > U_TO

R_F

przy czym R_F – rezystancja statyczna diody w kierunku przewodzenia.

Stąd otrzymuje się równanie diody w postaci:

U_F = U_TO + I_FR_F gdy U > U_TO

Parametry charakteryzujące diody prostownicze:

I_F – prąd przewodzenia,

I_R – prąd diody w kierunku wstecznym (prąd zaporowy),

I_FM - maksymalny prąd przewodzenia,

I_FSM - niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia,

U_F - napięcie przewodzenia,

U_R - napięcie wsteczne,

U_Rmax - maksymalne napięcie wsteczne,

U_RRM - powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne,

U_RSM - niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne,

t_amb - temperatura otoczenia,

t_case - temperatura obudowy,

P_tot - całkowita moc wejściowa.

Parametry te można znaleźć w katalogach.

W diodzie Zenera (warstwowej) przy dostatecznie dużym napięciu wstecznym prąd wsteczny gwałtownie wzrasta. Wartość napięcia, przy którym następuje gwałtowny wzrost prądu, jest stała i nie zależy od zmian prądu w szerokich granicach. Zjawisko gwałtownego wzrostu prądu tłumaczy się przebiciem Zenera, czyli efektem emisji elektronów w złączu pod wpływem pola wewnętrznego. W cienkim złączu natężenie pola może uzyskiwać duże wartości przy małych napięciach U_R nawet rzędu 3V, prowadząc do rozrywania wiązań kowalencyjnych. W rezultacie możliwy jest duży wzrost prądu przy pomijalnym wzroście napięcia na złączu. Napięcie to jest zwane napięciem Zenera i zależy od temperatury, co charakteryzuje tzw. współczynnik temperaturowy napięcia Zenera, wynoszący 0,07—0,09% U_R na kelwin. Dla diod o napięciu UR < 5 V współczynnik ten jest ujemny, dla UR > 5 V jest dodatni.

Diody Zenera są produkowane na napięcia 1 — 600 V, przy dopuszczalnej mocy złącza 250 mW i 1 W bez radiatora oraz 5 W z radiatorem.

Maksymalny prąd diody określa zależność

Za minimalną wartość prądu Zenera przyjmuje się I_Rmin =0,1 I_Rm. Dla prądów mniejszych niż I_Rmin spadek napięcia na diodzie znacznie zależy od prądu obciążenia diody.

Parametry charakteryzujące diody Zenera:

I_Z – prąd Zenera (stabilizacji),

I_R – prąd diody w kierunku wstecznym,

I_ZM - maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji,

U_Z - napięcie Zenera,

U_R - napięcie wsteczne,

t_amb - temperatura otoczenia,

t_case - temperatura obudowy,

P_tot - całkowita moc wejściowa.

Parametry te można znaleźć w katalogach.

Pomiary

DIODA PROSTOWNICZA

Charakterystyka w kierunku przewodzenia

Lp.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
I [mA]	0,0	0,1	3,0	11,1	17,5	29,4	68,0	93,5	128,7	195,4
U [V]	0,22	0,42	0,54	0,61	0,61	0,66	0,7	0,72	0,74	0,76

Charakterystyka w kierunku zaporowym

Lp.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
I [µA]	0,3	0,5	0,8	1,1	1,4	1,7	2,0	2,3	2,6	2,9
U [V]	2,01	4,00	6,01	8,01	9,99	12,02	14,01	16,03	18,05	19,90

DIODA ZENERA

Lp.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
I [mA]	0,3	19,6	40,8	61,8	79,3	101,5	117,9	141,3	162,6	181,6	199,5
U [V]	11,5	11,84	11,91	11,98	12,06	12,16	12,26	12,38	12,46	12,57	12,74

Wnioski