POLITECHNIKA RZESZOWSKA ELEKTRONIKA DLA NIEELEKTRYKÓW
Osoby: 1.Barczak Andrzej 2.Borcz Grzegorz 3.Ćwikła Łukasz	Temat ćwiczenia: Diody stabilizacyjne
	Rok: 2 MDT
	Rok akademicki: 2007/2008

Wstęp teoretyczny

W złączu z szerokim obszarem ładunku przestrzennego przy polaryzacji w kierunku wstecznym nośniki przechodząc przez ten obszar nabierają dużej energii. Przy dostatecznie dużym napięciu wstecznym rozpędzone nośniki mogą zderzyć się z węzłami siatki krystalicznej i przez zderzenie udzielić energii elektronom ulokowanym wraz z atomami w węzłach siatki krystalicznej. Te ostatnie elektrony przechodzą do pasma przewodnictwa pozostawiając dziury w paśmie podstawowym. Nośniki te znowu są przyspieszane i mogą wygenerować dalsze itd. Przy wzroście napięcia wstecznego polaryzującego złącze w kierunku wstecznym zwiększa się prąd jonizacji lawinowej. Na zaciskach zewnętrznych objawia się to gwałtownym zwiększeniem prądu wstecznego złącza. Stosunek prądu generacji zderzeniowej do prądu złącza, przy małych napięciach w kierunku wstecznym, nazywany jest współczynnikiem powielania:

gdzie:

m – wykładnik zależny od rodzaju materiału

U_L – napięcie przebicia lawinowego

W złączach silnie domieszkowanych, gdzie obszary ładunku przestrzennego są wąskie, przy polaryzacji w kierunku wstecznym występuje także gwałtowny wzrost prądu wstecznego, mimo że nie ma jonizacji lawinowej. Elektrony przechodzą z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa zupełnie w inny sposób. Najwyższy poziom pasma podstawowego leży powyżej najniższego poziomu pasma przewodnictwa. Elektrony z pasma podstawowego mogą przejść do pasma przewodnictwa bez zmiany energii, ale po przekroczeniu pasma zabronionego.

Przejścia tego typu nazywa się przejściami tunelowymi, a prąd nazywany jest prądem Zenera. Napięcie, w którym następuje gwałtowny wzrost prądu, nazywa się napięciem Zenera.

Przebicie Zenera ma miejsce w silnie domieszkowanych złączach przy napięciach do 5V. Zjawisko powielania lawinowego występuje w złączach słabo domieszkowanych dla napięć większych od 7V. Przy napięciach 5V do 7V i średniej koncentracji domieszek mogą wystąpić jednocześnie zjawiska przebicia Zenera i przebicia lawinowego. Temperaturowy współczynnik napięcia ma znak ujemny przy przebiciu Zenera i dodatni przy zjawisku przebicia lawinowego.

Cel ćwiczenia

Celem laboratorium było wykonanie pomiarów charakterystyk prądowo napięciowych diod stabilizacyjnych oraz analiza możliwości ich zastosowania w prostych układach stabilizacyjnych.

Schemat układu pomiarowego

W kierunku przewodzenia amperomierz podłączony jest szeregowo do rezystora dekadowego.

W kierunku zaporowym amperomierz podłączony jest szeregowo do badanej diody.

Kierunek przewodzenia

Tabela pomiarowa dla diody krzemowej (Uz<5v) w kierunku przewodzenia

U[V]	0,05	0,74	0,76	0,832	0,873	0,9	0,927	0,95	0,96	0,986	0,988	0,994	0,998
I[mA]	0	1,1	4,1	13,4	25,9	36	46,3	55,4	60	71,5	73,2	75,1	77

Tabela pomiarowa dla diody germanowej (Uz>7v) w kierunku przewodzenia

U[V]	0,06	0,212	0,73	0,821	0,858	0,896	0,91	0,924	0,933	0,946	0,96	0,977	0,987	0,991
I[mA]	0	0	1,1	10,9	21,1	34,7	40,4	46	50,2	55,9	62	70,3	75	77

Zmierzone charakterystyki badanych diod w kierunku przewodzenia na jednym wykresie:

• w skali dziesiętnej

• w skali logarytmicznej

2.

Wyznaczenie rezystancji szeregowej R_S, prądu nasycenia I₀ i współczynnika złącza η

Rezystancja szeregowa

R_S- rezystancja szeregowa

U_F- napięcie w kierunku przewodzenia

U_S- odległość w woltach wykresy rzeczywistego od wykresu aproksymowanego

I_F- prąd w kierunku przewodzenia

Prąd nasycenia

I_D- prąd diody

I₀- prąd nasycenia

U_D- napięcie na diodzie

U_T= kT/q- potencjał elektrokinetyczny

k- stała Boltzmana (k= 1,380662*10^-23 [J/K])

q- ładunek elementarny (q=1,6021892*10^-19 [C])

T- temperatura bezwzględna

Współczynnik złącza η

Dioda krzemowa (Uz<5V)

Rezystancja szeregowa

U_F=0,74 V

I_F=1,1 mA

U_s=0,018 V

Prąd nasycenia

U_D=0,74 V

I_D=1,1 mA= 0,0011 A

U_T=25 mV= 0,025 V

Współczynnik złącza η

Dioda germanowa (Uz>7V)

Rezystancja szeregowa

U_F=0,73 V

I_F=1,1 mA

U_s=0,018 V

Prąd nasycenia

U_D=0,73 V

I_D=1,1 mA= 0,0011 A

U_T=25 mV= 0,025 V

Współczynnik złącza η

3.

Wyznaczenie rezystancji różniczkowej R_r (dynamicznej)

Dioda krzemowa (Uz<5V)

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

Dioda germanowa (Uz>7V)

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

4.

Zmierzone charakterystyki diod w kierunku zaporowym

Dioda krzemowa (Uz<5V)

Kier. Zaporowy	U[V]	0,07	1,18	2,43	4,2	4,75	5,42	5,585	5,6	5,63	5,67	5,68	5,69	5,7	5,72
	I[mA]	0	0	0	0	0,01	1,5	7,9	10,7	20,9	36	45,5	46,5	54,7	65

Dioda germanowa (Uz>7V)

Kier. Zaporowy	U[V]	0	0,26	0,52	2,15	4,7	6,07	6,31	6,406	6,42	6,44	6,48	6,49	6,52	6,55
	I[mA]	0	0	0	0	0	0,03	3,22	18,81	20,1	23,2	31,7	34,8	40,2	45,2

• w skali dziesiętnej

• w skali logarytmicznej

Wyznaczenie rezystancji różniczkowej (dynamicznej)

Dioda krzemowa (Uz<5V)

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

Dioda germanowa (Uz>7V)

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

mA, wtedy V

5.

Dla zwiększenia czytelności sprawozdania porównanie postanowiłem umieścić we wnioskach

6.

Charakterystyki stabilizatora parametrycznego

Pomiar charakterystyk wyjściowych stabilizatora:

• Uwe min = 10V

U[V[	6,14	6,761	7,21	7,554	8,364	8,487	8,546	8,571	8,581	8,593	8,604
I[mA]	96,9	81,1	69,8	61,2	41,1	38	36,5	35,8	35,5	35,3	35

• Uwe max = 15V

U[V]	8,63	8,76	8,856	8,9	8,926	8,965	8,983	9,002	9,012	9,02	9,024
I[mA]	162	156,7	155	153,8	153	152,1	151,6	151,3	151	151	151

7.

Wyznaczenie dynamicznych rezystancji wyjściowych

• Uwe min = 10V

• Uwe max = 15V

Współczynnik stabilizacji napięciowej

Obliczamy podobnie jak powyższe dla Iśr oraz Imax

Wyraża się wzorem:

8.

Wnioski

Diody stabilizacyjne (Zenera) umożliwiają w prosty sposób stabilizacje napięć stałych od bardzo małych wartości, rzędu kilku woltów, do kilkuset woltów. Diody stabilizacyjne pracują w zakresie charakterystyki kierunku zaporowego, gdzie ma miejsce gwałtowny wzrost natężenia prądu zaporowego (przy prawie nie zmieniającym się napięciu ) wskutek zjawiska przebicia Zenera i przebicia lawinowego.

Tę właściwość wykorzystuje się stosując diodę Zenera jako element stabilizacyjny w stabilizatorach napięć.

Stabilizator, jest to układ, którego zadaniem jest utrzymanie niezmiennego napięcia na wyjściu przy zmieniającym się napięciu na wejściu. Aby stabilizator działał poprawnie musi przez niego płynąć prąd z zakresu między Izmax ÷ Izmni. Dla prądu mniejszego niż Izmin układ traci własność stabilizacji, dla wartości większych niż Izmax dioda może ulec uszkodzeniu.

Dla stałego napięcia wejściowego, i zmieniającej się rezystancji wykres charakterystyki wyjściowej ma kształt malejący.

Obserwując wyniki rezystancji dynamicznych badanych diod możemy stwierdzić, że rezystancja zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia. Dla kierunki przewodzenia rezystancja dynamiczna jest znacznie mniejsza niż dla kierunku zaporowego. Natomiast dla kierunku zaporowego mniejsza rezystancja różniczkowa jest mniejsza po przebiciu niż przed przebiciem.

Im mniejsza jest wartość rezystancji dynamicznej, tym mniejsze są wahania napięcia na diodzie. Stąd wynika, że wartość rezystancji dynamicznej określa własności stabilizacji diody.

Współczynnik stabilizacji mówi nam, jaki jest zakres zmian napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego. Im mniejsza jest to wartość tym lepszą stabilizację otrzymujemy w danym układzie.

Diody Zenera zachowują się tak jak zwykłe diody prostownicze w kierunku przewodzenia tzn. zaczynają przewodzić prąd przy napięciu progowym równym ok. 0,7 V(zależy od typu diody), co potwierdza wykres prądowo napięciowy w kierunku przewodzenia