1

POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki

INSTRUKCJA NR3 MD, 2006/7

PROSTOWNIKI i STABILIZATORY

Cel ćwiczenia:

Wykonanie pomiarów charakterystyk prądowo-napięciowych diod stabilizacyjnych, analiza moiliwoici 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 ni2 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 E_c lub poniżej E_v 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 7.mienia energii W stanic równowagi sumaryczny prąd płynący przez złącze p^r- n’ powinien być równy zeru. Pojawia się druga składowa prądu: tzw. prąd Esakiego Ig Przy polaryzacji w kierunku zaporowym przeważa składowa Zenera

Dla zjawiska Zenera charakterystyczna jest mała wartość napięcia przebicia, U,* <4Ei,/q , w przypadku złącza krzemowego oznacza to U|g <SV

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. U,* >4E*/q . w przypadku złącza krzemowego oznacza to Up7. >7V.

Rys. 1 a) Model pasmowy złącza silnie domieszkowanego przy polaryzacji zaporowej - dominuje składowa prądu Zenera 1/. 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 źródła pierwotnego. Dla stabilizatorów napięć stałych typowym źródłem 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, przekaźników, chwilowo uruchamianych silników Podstawowe parametry stabilizatora są związane z jego charakterystyką wyjściową U* ■ ftl*) obrazującą zależność napięcia wyjściowego U₂ od prądu obciążenia 1₂ (przy stałym napięciu wejściowym U|). W' typowej charakterystyce stabilizatora wyodrębnia się dwie części zakres stabilizacji (normalnej pracy) i zakres przeciążenia

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(l_;) 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:

- współczynnik stabilizacji napięcia, S_T =

AU,

- współczynnik temperaturowy.

A U;

A/,

rezystancja a wyjściowa, 1) -

■ - sprawność energetyczna

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 S_T za leży od konstrukcji stabilizatora i od nakładu wysiłków do skompensowania wpływu temperatury Wartości typowe S_r mieszczą się w zakresie od + 0,01 %/K do około ± 0,001 %/K w układach skompensowanych termicznie ^

Rezystancja wyjściowa R„ 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 AU/AI.

Definiuje on rezystancję dynamiczną    Tz ⁼ Aliz/AJjr*

Najważniejsze parametrów charakterystyczne diod stabilizacyjnych:

-    prądy i napięcia w kierunku przewodzenia i zaporowym przed przebiciem - jak dla diody prostowniczej;

-    napięcie stabilizacji U/ zwykle przy 1=0.11?_W1X, rozrzut jego wartości dla określonego typu diody;

-    temperaturowy współczynnik zmian napięcia stabilizacji 0 (bezwzględny, wyrażony w \ f°C lub %/°C);

-    rezystancję dynamiczną w zakresie zaporowym - t₇ = AU^/AI^ (przyrostowo),

-    prąd wsteczny Ir przy określonym napięciu wstecznym Ur (zwykle przy Ur ^_ IV);

Najważniejsze parametry dopuszczalne

-    maksymalny prąd przewodzenia I_Fn-x (w stab. dużej mocy dopuszczalny szczytowy prąd przewodzenia Um mw),

-    maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji najczęściej wyznaczany z zależności l_7mĘK ” Ptot/Dż

-    maksymalna temperatura złącza Tj,,** (zwykle 150°C)

maksymalna moc strat P_raT podawana dla T,= 25°C

Podstawowym zadaniem każdego stabilizatora jest uniezależnienie napięcia na obciążeniu od zmian napięcia wejściowego, oraz zmian rezystancji obciążenia Rt Zmiany Rl powodują zmiany prądu obciążenia, a te z kolei wywołują określone spadki napięcia na Rj oraz na rezystancji prostownika W rezultacie napięcie na obciążeniu ulega zmianie R| musimy zastosować w celu ograniczenia prądu płynącego przez diodę do wartości dopuszczalnej dla danego egzemplarza - przebicie nie jest zjawiskiem niszczącym o ile zapewnimy I_z ^<Pror /U_z

2