POLITECHNIKA LUBELSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Laboratorium Elektrotechniki i Elektroniki

Temat ćwiczenia nr 11

Badanie diody zenera

i stabilizatora napięcia

1. Część teoretyczna

1.1. Charakterystyka i właściwości diody Zenera

Dioda Zenera jest diodą krzemową, która dzięki silnemu domieszkowaniu może pracować w zakresie napięcia przebicia. Polaryzacja w kierunku przewodzenia sprawia, że dioda ta zachowuje się jak zwykła dioda krzemowa. Diody Zenera pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym (rys. 1.1) Jeżeli napięcie wsteczne osiągnie wartość napięcia przebicia wówczas mały wzrost napięcia powoduje znaczny wzrost prądu.

Rys. 1.1. Charakterystyki robocze diod Zenera

Napięcie pozostaje prawie na stałym poziomie w dużym zakresie zmian prądu. W obszarze przebicia napięcie robocze U_Z odpowiadające katalogowej wartości prądu nazywane jest napięciem Zenera, a prąd roboczy I_Z prądem Zenera. Obszarem roboczym diod Zenera jest obszar przebicia. Dzięki różnemu domieszkowaniu można produkować diody Zenera o różnych napięciach Zenera, od 2,7 do 200 V. Kiedy wzrasta temperatura, napięcie Zenera maleje tzn. charakterystyka przesuwa się w kierunku punktu początkowego. Najważniejszymi parametrami granicznymi diod Zenera są dopuszczalna moc strat i największy dopuszczalny prąd. Właściwości diody Zenera dla prądu stałego charakteryzuje rezystancja statyczna R_Z, a dla sygnałów zmiennych rezystancja dynamiczna R_D. Można ją wyznaczyć na podstawie nachylenia charakterystyki w punkcie pracy albo odczytać z katalogu. Diody Zenera znajdują zastosowanie najczęściej w układach stabilizacji napięć stałych. Im bardziej stroma jest charakterystyka I = f(U) diody Zenera w strefie przebicia, tym lepsza stabilizacja napięcia. Diody Zenera stosuje się również do tłumienia impulsów napięcia jako diody ograniczające w układach ograniczników, jako elementy sprzęgające oraz jako diody ochronne w układach pomiarowych. Do wytwarzania dokładnych napięć wzorcowych używane są diody Zenera skompensowane temperaturowo, które mają napięcie prawie niezależne od temperatury oraz małą rezystancję różnicową.

1.2. Stabilizator napięcia - budowa i zasada działania

Rys. 1.2. Schemat blokowy stabilizatora napięcia

W układzie stabilizatora występuje zawsze element regulacyjny, zazwyczaj jest to tranzystor mocy. Otwiera się on lub zamyka tak, by napięcie na wyjściu stabilizatora miało potrzebną wartość. Aby sterować pracą tego elementu regulacyjnego potrzebne są jeszcze dwa bloki. Jednym z nich jest źródło napięcia wzorcowego, zwanego napięciem odniesienia. Napięcie tego źródła odniesienia powinno być jak najbardziej stabilne, to znaczy niezależne od temperatury, napięcia zasilania i poboru prądu. Tak więc napięcie źródła odniesienia jest na bieżąco porównywane z napięciem na wyjściu stabilizatora i w zależności od wyniku porównania, element regulacyjny jest otwierany lub zamykany. Dlatego drugim niezbędnym blokiem stabilizatora jest układ porównujący, zwany najczęściej wzmacniaczem błędu (błędu między napięciem wzorcowym, a napięciem wyjściowym). Wszystkie wymienione bloki występują w układzie scalonym oznaczonym liczbą 723. Dzięki zastosowaniu stabilnej diody Zenera oraz wzmacniacza wyjściowego w układzie wytwarzania napięcia odniesienia, z opisywanego bloku (czyli z końcówki Uref) można pobierać prąd do 15mA bez pogorszenia się stabilności tego napięcia wzorcowego. Kostka zawiera kilka oddzielnych bloków, które mogą być wykorzystane niezależnie, i w sumie wcale nie muszą tworzyć stabilizatora, tylko układ pełniący zupełnie inne funkcje.

Parametry dopuszczalne układu 723

Zakres napięć zasilania (końcówki 12, 7): 9,5...40V (chwilowo do 50V)

Zakres napięć wyjściowych: 2...37V

Maksymalny prąd wyjściowy (końcówki 10, 11): 150mA

Maksymalny prąd wyjścia napięcia odniesienia (n. 6): 15mA

Maksymalny prąd końcówki 9: 25mA

Maksymalne napięcie na wejściu 5: 8V (dotyczy tylko kostek niektórych producentów)

Maksymalne napięcie między wejściami 4, 5: 5V

Dopuszczalna moc strat (przy temp. otoczenia +25 C): 500...1250mW (zależnie od producenta)

Napięcie odniesienia (n. 6): typ. 7,15V (6,80...7,50V)

Prąd spoczynkowy (n. 12): typ. 2,3mA, max 4,0mA

2. Część praktyczna

2.1. Badanie stabilizatora napięcia bez obciążenia

Należy połączyć obwód elektryczny według schematu z rysunku 2.1. Przy otwartym odłączniku w obwodzie obciążenia zwiększać napięcie autotransformatorem i odczytywać wskazania mierników. Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli 2.1. Wykreślić charakterystykę napięciową U₂=f(U₁).

Rys.2.1. Schemat obwodu do badania stabilizatora napięcia

Tabela 2.1

Lp	Dioda Zenera typ.................................					Dioda Zenera typ................................
-	U [V]	U1 [V]	I1 [A]	U2 [V]	Iz [A]	U [V]	U1 [V]	I1 [A]	U2 [V]	Iz [A]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

2.2. Badanie stabilizatora napięcia ze stałą rezystancją obciążenia

W obwodzie elektrycznym, którego schemat zamieszczono na z rysunku 2.1, zamknąć odłącznik w obwodzie obciążenia i przy stałej rezystancji odbiornika zwiększać napięcie autotransformatorem oraz odczytywać wskazania mierników. Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli 2.2. Wykreślić charakterystyki napięciową U₂=f(U₁) oraz napięciowo-prądową U₂=f(I₂).

Tabela 2.2

Lp	Dioda Zenera typ.........................................						Dioda Zenera typ..........................................
-	U [V]	U1 [V]	I1 [A]	U2 [V]	I2 [A]	Iz [A]	U [V]	U1 [V]	I1 [A]	U2 [V]	I2 [A]	Iz [A]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

2.3. Badanie stabilizatora napięcia ze zmienną rezystancją obciążenia

W obwodzie elektrycznym, którego schemat zamieszczono na z rysunku 2.1, zamknąć odłącznik w obwodzie obciążenia, ustawić napięcie zasilania autotransformatorem i zmieniać rezystancję odbiornika. Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli 2.3. Wykreślić charakterystyki napięciową U₂=f(U₁) oraz napięciowo-prądową U₂=f(I₂).

Tabela 2.3

Lp	Dioda Zenera typ................................					Dioda Zenera typ................................
-	U=……......					U=…….....
-	U1 [V]	I1 [A]	U2 [V]	I2 [A]	Iz [A]	U1 [V]	I1 [A]	U2 [V]	I2 [A]	Iz [A]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

2.4. Analiza pracy urządzenia działającego z wykorzystaniem diody Zenera

Należy przeanalizować i opisać budowę, działanie i zastosowanie urządzenia działającego z wykorzystaniem diody Zenera.

3. Zagadnienia obowiązujące studentów wykonujących ćwiczenie

1. Program ćwiczenia

2. Budowa, zasada działania i właściwości diody Zenera

3. Zastosowanie diody Zenera

4. Budowa i zasada działania stabilizatora napięcia

4. Literatura

1. Laboratorium z elektroniki. Opracowanie zbiorowe pod redakcją Wiktora Pietrzyka. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej. Lublin 2002.

2. Opydo W., Kulesza K., Twardosz G.: Urządzenia elektryczne i elektroniczne - przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań 2005.

3. Oset A., Śliwińska D.: Laboratorium elektrotechniki i elektroniki dla wydziału mechanicznego. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej. Kielce 1999.

4. Strona internetowa www.edw.com.pl

5. Strona internetowa www.elportal.pl

7

---