POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
DIODY STABILIZACYJNE
Cel ćwiczenia:
Wykonanie pomiarów charakterystyk prądowo-napięciowych diod stabilizacyjnych oraz
analiza możliwości ich zastosowania w prostych układach stabilizatorów.
A) Zagadnienia do samodzielnego opracowania przed zajęciami:
" Zapoznać się dokładnie z treścią instrukcji.
" Zapoznać się z teoretycznymi podstawami działania diod stabilizacyjnych.
" Przygotować i przeanalizować schematy pomiarowe.
" Zaprojektować układ stabilizatora parametrycznego możliwego do zrealizowania i dokonania
pomiarów jego właściwości w oparciu o dostępne w Laboratorium elementy i przyrządy
pomiarowe.
" Wykonać obliczenia prototypowego układu stabilizatora parametrycznego (rys.2) określające
maksymalne dopuszczalne bezpieczne zakresy pomiarowe tak aby można było przenieść wyniki
na konkretny układ badany w laboratorium.
B) WPROWADZENIE
1)Przebicie złącza p-n.
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
EFn
lawinow
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.
2) Dioda w układzie stabilizacji napięcia :
Do najważniejszych parametrów charakterystycznych diod stabilizacyjnych zaliczamy:
-prądy i napięcia w kierunku przewodzenia i zaporowym przed przebiciem -jak dla diody prostowniczej;
-napięcie stabilizacji UZ zwykle przy I=0.1IZmax , i rozrzut jego wartości dla określonego typu diody;
-temperaturowy współczynnik zmian napiÄ™cia stabilizacji ² (bezwzglÄ™dny, wyrażony w 1/oC lub %/oC);
-parametr dynamiczny - rezystancjÄ™ dynamicznÄ… w zakresie zaporowym - rZ = "UZ/"IZ (przyrostowo);
-prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR (zwykle przy UR = 1V);
1
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
Najważniejsze parametry dopuszczalne to:
-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.
3) Stabilizator prametryczny :
a) Poprawę jakości działania prostownika uzyskujemy w układzie, w którym równolegle do obciążenia dołączamy diodę stabilizacyjną.
Zmiany napięcia wyjściowego pod wpływem zmian prądu obciążenia będą tym mniejsze im bardziej stromo przebiega jej charakterystyka,
czyli im mniejszy jest stosunek "U/"I. Definiuje on nam rezystancjÄ™ dynamicznÄ… diody:
rZ = "UZ/"IZ,
Przykład zastosowania diody stabilizacyjnej w stabilizatorze parametrycznym napięcia przedstawia rys 2.
IR1 +
R1
~220V
Uz
C
RL
U1 IZ
-IR
eg
IF
Um>>Uz
I0
t
UR
UZ
T
UF
UF(I0)
IR
uR
Typowy zakres pracy
"Ul
diody stabilizacyjnej
Ul
t
t1
t2
Rys.2. Stabilizator napięcia z diodą Zenera (równoległy parametryczny stabilizator napięcia).
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 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 można schematycznie przedstawić
U1 Ä™! o "U1 URL Ä™! o "URL I1=(IDZ + IRL )Ä™! UR1 Ä™! "URL < "URL
b) 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
3) Temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji.
Cenną właściwością diod o UZ = 5 - 7V jest zerowy dryft napięcia stabilizacji pod wpływem temperatury- rys.3. Wynika to ze
współistnienia mechanizmu przewodnictwa Zenera i lawinowego.
2
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
² x10-4/K
10
UZ [V]
5
5 10
15
20
1 dUZ
-5
² =
-10
UZ dT
Rys.3. Zależność ²=f(UZ) oraz zmiany punktu pracy w funkcji zmian temperatury.
Stabilizatory skompensowane posiadają we wspólnej obudowie diodę na napięcie UZ > 6V (gdzie dominującą rolę odgrywa
przebicie lawinowe) poÅ‚Ä…czonÄ… szeregowo ze zÅ‚Ä…czem pracujÄ…cym w kierunku przewodzenia. Dodatni współczynnik ² diody o przebiciu
lawinowym kompensowany jest przez ujemny dryft temperaturowy diody pracujÄ…cej w kierunku przewodzenia (ok. -2mV/oC). W ten
sposób 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. Polskie diody
tego typu maja oznaczenie BAP 814-816.
C) POMIARY i
UWAGI OGÓLNE
o ZAPOZNAĆ SI
Z PARAMETRAMI KATALOGOWYMI BADANYCH DIÓD.
o NIE PRZEKRACZAĆ PARAMETRÓW DOPUSZCZALNYCH ELEMENTÓW.
o KAŻDA CHARAKTERYSTYKA POWINNA ZAWIERAĆ około15 PKT. POMIAROWYCH.
o POMIARY WYKONAĆ W MOŻLIWIE DUŻYM ALE BEZPIECZNYM ZAKRESIE
PR
DÓW I NAPI
Ć
1. Zmierzyć charakterystyki IF=f(UF) oraz IR=f(UR) dla diody o UZ>7V i diody o Uz<5V.Zwrócić
szczególną uwagę na pomiar charakterystyki w kierunku zaporowym uwzględniając zakres
blokowania i przebicia Zenera.
2. Zmontować układ stabilizatora parametrycznego z diodą otrzymaną na zajęciach oraz
odpowiednio dobranym rezystorem R1. Jako rezystor RL zastosować rezystor dekadowy.
Zwrócić uwagę na maksymalne wartości prądu poszczególnych dekad
3. Po zamontowaniu rezystorów dla stabilizatora parametrycznego należy:
a) sprawdzić teoretycznie czy zgodnie z założeniami projektowymi w zakładanych zakresach
zmian napięcia wejściowego i prądu obciążenia stabilizator będzie pracował poprawnie, a elementy nie
ulegną uszkodzeniu .Jeśli nie - poprawić projekt.
b) zmierzyć charakterystyki wyjściowe stabilizatora tzn. napięcie wyjściowe w funkcji prądu
obciążenia w takim zakresie, aby z pomiarów można było obliczyć dynamiczne rezystancje wyjściowe
dla prądów obciążenia: małego (rzędu miliampera), średniego i zbliżonego do maksymalnego. Należy
zmierzyć trzy takie charakterystyki: przy minimalnym, średnim i maksymalnym założonym napięciu
wejściowym.
d) zmierzyć charakterystyki przejściowe UWY =f(UWE)ćłRL=const stabilizatorów dla prądu
maksymalnego i połowy jego wartości przyjętej w obliczeniach wstępnych dla warunków
znamionowych.
D) OPRACOWANIE I ANALIZA WYNIKÓW
1) Narysować zmierzone charakterystyki diod w kierunku przewodzenia na jednym wykresie.
Punkty pomiarowe powinny być widoczne na charakterystykach.
3
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
2) Dla badanych diod wyznaczyć: rezystancjÄ™ szeregowÄ… Rs, prÄ…d Io, oraz współczynnik zÅ‚Ä…cza ·.
3) Dla trzech wartości prądu IF dla każdej z diod, wyznaczyć rezystancję różniczkową rr H"
"UF/"IF .
4) Narysować na jednym wykresie zmierzone charakterystyki diod w kierunku zaporowym,
wyznaczyć rezystancję różniczkową rz H" "Uz/"Iz .w co najmniej trzech punktach, w tym w
zakresie przed przebiciem.
5) Porównać obliczone parametry diod z pełnymi danymi katalogowymi.
6) Wykreślić i skomentować wszystkie zmierzone charakterystyki dla stabilizatora
parametrycznego.
7) Wyznaczyć dynamiczne rezystancje wyjściowe, współczynniki stabilizacji napięciowej
badanych układów w kilku wybranych punktach.
8) W sprawozdaniu umieścić własne wnioski i spostrzeżenia.
F) Tab.1. Wybrane parametry niektórych badanych diod:
UR URM IF IFM tj UF IR UZ TKU rZ Ptot
[V] [V] [mA [mA [0C] [V] [mA] [V] 10- &!
[W]
Z
4
] ] /K
10 30 16 50 75 2.2 0.1 - -
1) AAP153
(przy (przy UR=30V)
IF=10mA)
50-1000 100- 1000 5000 175 1.1 0.005 - - - -
2)
1000 (przy (przy UR=50V)
BYP401...
IF=1A)
- 6 50 - 150 1.5-1.7 0.001 1.5-1.7 -20 20
3) BAP811
(przy UR=6V)
- 6 50 - 150 2.0-2.3 0.001 2.0-2.3 -25 30
4) BAP812
(przy UR=6V)
UZ=3-35 7.0-7.9 - - 150 1.2 - UZ=7.5 +9 4 1.2
5)
(przy
BZP650...
IF=0.5A)
- 200 10 190 140 1.2 - - - - -
6) D22 10-
(przy
02
IF=150A)
0.4
UZ=3.3÷33V - - - 150 1.1 - UZ=3.3 -6÷ 10÷9
7) BZP
-33V
+9 0
683...
LITERATURA:
1. W. Marciniak  Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone
2. W. Marciniak  Modele elementów półprzewodników
3. A.Kusy  Podstawy elektroniki
4.  Elementy półprzewodnikowe i układy scalone (katalog)
5. J.Kołodziejski, L.Spiralski, E.Stolarski  Pomiary przyrządów półprzewodnikowych ,
WkiA
1990
4