POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
1
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 >10
19
/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
zmienia energii. W stanie równowagi sumaryczny prąd płynący przez złącze p
+
- n
+
powinien być równy zeru. Pojawia się druga składowa
prądu: tzw. prąd Esakiego I
E
. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym przeważa składowa Zenera
Dla zjawiska Zenera charakterystyczna jest mała wartość napięcia przebicia, U
pZ
<4E
g
/q , w przypadku złącza
krzemowego oznacza to U
pZ
<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, U
pZ
>4E
g
/q , w przypadku złącza
krzemowego oznacza to U
pZ
>7V.
Rys.1. a) Model pasmowy złącza silnie domieszkowanego przy polaryzacji zaporowej - dominuje składowa prądu Zenera I
Z
.
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 U
Z
zwykle przy I=0.1I
Zmax
, i rozrzut jego wartości dla określonego typu diody;
-temperaturowy
współczynnik zmian napięcia stabilizacji
β (bezwzględny, wyrażony w 1/
o
C lub %/
o
C);
-parametr dynamiczny - rezystancję dynamiczną w zakresie zaporowym - r
Z
=
∆U
Z
/
∆I
Z
(przyrostowo);
-prąd wsteczny I
R
przy określonym napięciu wstecznym U
R
(zwykle przy U
R
= 1V);
d
I
Z
U
D
+U(<0)
q(U
D
+U
)
p+
n+
qU
+
-
E
Fp
E
Fn
Elektron
inicjujący
powielanie
lawinow
d
n
p
+
-
a) b)
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
FD1 2003/2004 sem. letni
2
Najważniejsze parametry dopuszczalne to:
-maksymalny prąd przewodzenia I
F max
(w stab. dużej mocy dopuszczalny szczytowy prąd przewodzenia I
FM max
);
-maksymalny dopuszczalny prąd stabilizacji najczęściej wyznaczany z zależności: I
Zmax
= P
TOT
/U
Z
-maksymalna temperatura złącza T
Jmax
(zwykle 150
o
C).
-maksymalna moc strat P
max
podawana dla T
a
= 25
o
C.
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 rezystancję dynamiczną diody:
r
Z
=
∆U
Z
/
∆I
Z
,
Przykład zastosowania diody stabilizacyjnej w stabilizatorze parametrycznym napięcia przedstawia rys 2.
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 R
L
. Zmiany R
L
powodują zmiany prądu obciążenia, a te z kolei wywołują określone spadki napięcia na R
1
oraz na
rezystancji prostownika. W rezultacie napięcie na obciążeniu ulega zmianie. R
1
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
<P
TOT
/U
Z
Przez R
1
płynie prąd który jest sumą prądu diody Zenera oraz prądu obciążenia. Z prawa Kirchoffa:
U
RL
=U
1
-R
1
(I
RL
+I
Z
)
Jeżeli zmienia się wartość U
1
o np.
∆U
1
to aby napięcie na obciążeniu pozostało stałe musi zajść:
∆U
1
-R
1
(
∆I
Z
)=0
Jeśli natomiast zmieniać się będzie prąd obciążenia I
RL
o wartość
∆I
RL
to aby U
RL
pozostało stałe:
∆I
RL
= -
∆I
Z
Proces stabilizacji U
RL
przy zmianach napięcia U
1
można schematycznie przedstawić
U
1
↑ o ∆U
1
→ U
RL
↑ o ∆U
RL
→ I
1
=(I
DZ
+ I
RL
)
↑ → U
R1
↑→ ∆U
RL
’<
∆U
RL
b) Dobór wartości R
1
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 I
Zmin
= 0.1I
zmax
3) Temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji.
Cenną właściwością diod o U
Z
= 5 - 7V jest zerowy dryft napięcia stabilizacji pod wpływem temperatury- rys.3. Wynika to ze
współistnienia mechanizmu przewodnictwa Zenera i lawinowego.
RL
Uz
~220V
C
+
-
U
1
R
1
I
R1
I
Z
I
R
T
t
e
g
U
m
>>Uz
t
2
t
u
R
t
1
U
l
∆U
l
I
F
I
R
U
F
I
0
U
F
(I
0
)
Typowy zakres pracy
diody stabilizacyjnej
U
R
U
Z
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
3
dT
dU
U
Z
Z
1
=
β
Rys.3. Zależność
β=f(U
Z
) oraz zmiany punktu pracy w funkcji zmian temperatury.
Stabilizatory skompensowane posiadają we wspólnej obudowie diodę na napięcie U
Z
> 6V (gdzie dominującą rolę odgrywa
przebicie lawinowe) połączoną szeregowo ze złączem pracującym w kierunku przewodzenia. Dodatni współczynnik
β diody o przebiciu
lawinowym kompensowany jest przez ujemny dryft temperaturowy diody pracującej w kierunku przewodzenia (ok. -2mV/
o
C). W ten
sposób można uzyskiwać diody o
β < 10
-5
/
o
C, przy napięciach stabilizacji powyżej 6,2V. Rezystancja dynamiczna silnie zależna od
wartości napięcia stabilizacji (rodzaju diody) i prądu stabilizacji (punktu pracy). Wyraźne 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 SIĘ 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
PRĄDÓW I NAPIĘĆ
1. Zmierzyć charakterystyki I
F
=f(U
F
) oraz I
R
=f(U
R
) dla diody o U
Z
>7V i diody o U
z
<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 R
1
. Jako rezystor R
L
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 U
WY
=f(U
WE
)
RL=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.
U
Z
[V]
β x10
-4
/K
10
5
-5
-10
5
10
15
20
POLITECHNIKA RZESZOWSKA Katedra Podstaw Elektroniki
4
2) Dla badanych diod wyznaczyć: rezystancję szeregową Rs, prąd Io, oraz współczynnik złącza
η
.
3) Dla trzech wartości prądu I
F
dla każdej z diod, wyznaczyć rezystancję różniczkową r
r
≈
∆U
F
/
∆I
F
.
4) Narysować na jednym wykresie zmierzone charakterystyki diod w kierunku zaporowym,
wyznaczyć rezystancję różniczkową r
z
≈ ∆U
z
/
∆I
z
.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:
U
R
[V]
U
RM
[V]
I
F
[mA
]
I
FM
[mA
]
t
j
[
0
C]
U
F
[V]
I
R
[mA]
U
Z
[V]
TKU
Z
10
-
4
/K
r
Z
Ω
P
tot
[W]
1) AAP153
10
30 16 50 75 2.2
(przy
I
F
=10mA)
0.1
(przy U
R
=30V)
- -
2)
BYP401...
50-1000 100-
1000
1000 5000 175 1.1
(przy
I
F
=1A)
0.005
(przy U
R
=50V)
- -
-
-
3) BAP811
- 6
50
-
150
1.5-1.7
0.001
(przy U
R
=6V)
1.5-1.7 -20 20
4) BAP812
- 6
50
-
150
2.0-2.3
0.001
(przy U
R
=6V)
2.0-2.3 -25 30
5)
BZP650...
U
Z
=3-35
7.0-7.9
- - 150
1.2
(przy
I
F
=0.5A)
- U
Z
=7.5 +9 4 1.2
6) D22 10-
02
-
200 10 190 140 1.2
(przy
I
F
=150A)
- -
-
-
-
7) BZP
683...
U
Z
=3.3
÷33V - - - 150
1.1 -
U
Z
=3.3
-33V
-6
÷
+9
10
÷9
0
0.4
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”,
WkiŁ 1990