Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki 

 

 

 
Opracował  zespół:  Marek  Panek,  Waldemar  Oleszkiewicz,  Ryszard  Korbutowicz,  Iwona  
Zborowska-Lindert,  Bogdan  Paszkiewicz,  Małgorzata  Kramkowska,  Zdzisław  Synowiec, 
Beata Ściana, Irena Zubel, Tomasz Ohly, Bogusław Boratyński 

 

Ćwiczenie nr 4 

Stabilizator napięcia z diodą Zenera 

 

I. 

 

Zagadnienia do samodzielnego przygotowania

 

-

 

Budowa złącza p-n oraz charakterystyka I-U 

-

 

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera. 

-

 

Efekt Zenera i efekt powielania lawinowego - wyjaśnić na modelu pasmowym. 

-

 

Parametry katalogowe diody stabilizacyjnej 

-

 

Schemat i zasada działania stabilizatora napięcia z diodą Zenera 

 
 
II. Program zajęć 

-

 

Pomiar charakterystyki I-U diody Zenera. 

-

 

Projekt układu stabilizatora napięcia 

-

 

Pomiary współczynnika stabilizacji napięcia zbudowanego układu 

 
 

III. Literatura 

1.

 

Notatki z WYKŁADU 

2.

 

W. Marciniak  - Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone 

3.

 

A. Świt, J. Pułtorak  - Przyrządy półprzewodnikowe 

4.

 

Poradnik InŜyniera Elektronika 

 
 

Wykonując  pomiary  PRZESTRZEGAJ  przepisów  BHP  związanych z obsługą 

urządzeń elektrycznych. 

 

 

2

 

1

 

Wiadomości wstępne 

1.1

 

Przebicie złącza p-n 

Przy  polaryzacji  zaporowej  złącza  p-n  zaleŜność  I-U  daje  się  opisać  wzorem 

Shockley’a tylko dla ograniczonych wartości napięcia polaryzacji. Po przekroczeniu pewnego 
napięcia  krytycznego  następuje  przebicie  złącza  p-n,  czyli  gwałtowny  wzrost  natęŜenia 
płynącego  prądu,  podczas  gdy  napięcie  na  złączu  zmienia  się  w  bardzo  niewielkim  stopniu. 
Dwa  podstawowe  mechanizmy  powodujące  przebicie  złącza  to  zjawisko  Zenera  i  zjawisko 
powielania lawinowego nośników. 

Efekt  Zenera  polega  na  tunelowym  przejściu  elektronu  (tzn.  bez  zmiany  energii)  

z  pasma  podstawowego  do  pasma  przewodnictwa  półprzewodnika.  Występuje  on  przede 
wszystkim w półprzewodnikach silnie domieszkowanych gdzie w cienkim obszarze warstwy 
zuboŜonej złącza p-n, występuje silne pole elektryczne (

≈

10

8

 V/m). 

 

warstwa  

zubo

Ŝ

ona

 

p

 

n

 

W

C 

W

V 

W

 

W

F 

W

g 

 

Rys. 1. Model pasmowy złącza p-n z zaznaczonym efektem Zenera – tunelowe przejście 

elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. 

 

W

 

W

C 

W

V 

W

F 

warstwa  

zubo

Ŝ

ona

 

p

 

n

 

W

g

 

 

Rys. 2. Model pasmowy złącza p-n z zaznaczonym zjawiskiem powielania lawinowego - 

wzrost liczby nośników prądu w warstwie zaporowej. 

Zjawisko  powielania  lawinowego  polega  na  powielaniu  nośników  prądu  w  warstwie 

zuboŜonej złącza p-n, w wyniku zderzeń elektronów z atomami sieci krystalicznej. Powoduje 
to  zerwanie  wiązania  kowalencyjnego  i  powstanie  swobodnego  elektronu  oraz  swobodnej 
dziury. Efekt ten występuje w złączu słabo domieszkowanym kiedy grubość złącza znacznie 
przekracza  średnią  drogę  swobodną  elektronu,  a  więc  istnieje  duŜe  prawdopodobieństwo 
uzyskania duŜej energii przez elektron w polu elektrycznym złącza. 

 

3

Przebicie  złącza  p-n  wykorzystuje  się  w  diodach  stabilizacyjnych,  zwanych  teŜ 

diodami Zenera słuŜących m.in. do budowy układów stabilizatorów napięcia. 

 

1.2

 

Charakterystyka prądowo napięciowa diody Zenera 

Podczas polaryzacji w kierunku przewodzenia krzemowa dioda Zenera zachowuje się 

tak jak kaŜda dioda, tzn. spadek napięcia na niej jest niewielki i wynosi ok. 0,6

÷

0,7 V. Przy 

polaryzacji  zaporowej,  dla  pewnej  wartości  napięcia  –  zaleŜnej  od  konstrukcji  diody 
(domieszkowania) – występuje gwałtowny wzrost natęŜenia prądu i bardzo niewielka zmiana 
napięcia. Tę właściwość wykorzystuje się stosując diodę Zenera jako element stabilizacyjny, 
tzn.  zapewniający  prawie  stałą  wartość  napięcia  na  zaciskach  niezaleŜną  od  natęŜenie 
przepływającego  prądu.  Dla  diod  o  napięciu  przebicia  w  zakresie  2

÷

5  V  dominuje  efekt 

Zenera,  a  dla  diod  o  napięciu  przebicia  powyŜej  10V  dominuje  zjawisko  powielania 
lawinowego. 

 

I

 

U

 

I

Zmin

 

I

Zmax

 

P

max

 

hiperbola mocy 

admisyjnej 

U

Zmin 

U

Zmax

 

1

2

1

2

I

I

U

U

dI

dU

r

z

−

−

≅

=

U

Z

 

I

1 

U

1 

U

2 

I

2 

 

Rys. 3. Charakterystyka diody Zenera przy polaryzacji zaporowej 

Na  rysunku  3  przedstawiono  charakterystykę  diody  Zenera  spolaryzowanej  

w kierunku zaporowym wraz z jej podstawowymi parametrami: 

 

U

Z

 – napięcie Zenera, 

 

I

Zmin

 – minimalny prąd wsteczny (przy mniejszych wartościach prądu dioda nie 

ma właściwości stabilizacyjnych), 

 

I

Zmax

  –  maksymalny  prąd  wsteczny  (przy  większych  wartościach  prądu  dioda 

moŜe ulec uszkodzeniu), 

 

r

z

 – rezystancja dynamiczna diody w zakresie przebicia złącza. 

Przykładowe oznaczenie diody Zenera:  BZP 620 - C3V3 

Pierwsza litera oznacza materiał, z jakiego wykonana została dioda (B – krzem), litera 

druga  mówi  o  rodzaju  diody  (Z  –  dioda  Zenera),  litera  trzecia,  opcjonalna  (P  –  wykonanie 
polskie).  Kolejne  trzy  cyfry  oznaczają  typ  diody.  Czwarta  litera  oznacza  tolerancję 
nominalnego napięcia przebicia (U

Znom

) diody: 

 

C - tolerancja 5% 

czyli:  U

Z

 = U

Znom

 ± 5%U

Znom 

 

D - tolerancja 10% 

 

U

Z

 = U

Znom

 ± 10%U

Znom

 

Ostatnie  trzy  znaki  mówią  o  nominalnym  napięciu  stabilizacji  diody,  3V3  –  oznacza 

3,3 V (znak V oznacza przecinek). Zwykle napięcie nominalne podawane jest dla  0,1 I

Zmax

 . 

 

4

1.3

 

Projekt stabilizatora z diodą Zenera 

Na  rys.  4  pokazano  podstawowy  schemat  układu  stabilizatora  opartego  na  diodzie 

Zenera.  Na  rys.  5  przedstawiono  charakterystykę  prądowo-napięciową  diody  dla  polaryzacji 
zaporowej  (2),  charakterystykę  I-U  rezystora  obciąŜenia  R

0

  (1)  oraz  wynikową 

charakterystykę  I-U  układu  z  obciąŜeniem  R

0

  dołączonym  równolegle  do  diody  Zenera  na 

wyjściu  układu  stabilizatora  (3).  Całkowity  prąd  w  rezystorze  R

s

  jest  sumą  prądu  płynącego 

przez diodę i obciąŜenie. Linią przerywaną naniesiono proste pracy wynikające z moŜliwych 
do  przyjęcia  wartości  rezystora  szeregowego  R

s

  oraz  szczytowych  wartości  napięcia 

wejściowego,  tzn.  amplitud 

∆

U

we

  (napięcia  tętnienia)  „nałoŜonych”  na  poziom  napięcia 

stałego  U

we

.  Linie  te  definiują  dopuszczalny  zakres  połoŜenia  faktycznej  prostej  pracy. 

Chwilowa  wartość  punktu  pracy  znajduje  się  zawsze  w  punkcie  przecięcia  prostej  pracy  i 
charakterystyki I-U diody. 
Zadaniem  układu  jest  zmniejszenie  amplitud  napięcia  wejściowego  (

∆∆∆∆

U

wy

)  do 

niewielkich amplitud (

∆∆∆∆

U

wy

) napięcia wyjściowego, które jest napięciem stabilizowanym. 

 

 
Rys. 4. Schemat układu stabilizatora opartego na diodzie Zenera 
 
 

 
Rys. 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa stabilizatora z diodą Zenera 

 

Zmiana napięcia wejściowego U

we

 o  

±∆

U

we

 powoduje zmianę połoŜenia punktu pracy 

na  charakterystyce  wypadkowej  stabilizatora.  Aby  układ  stabilizował  punkt  pracy  powinien 
“poruszać  się”  w  dopuszczalnym  zakresie  prądów  I

zmax

 

÷

  I

zmin

.  PoniŜej  wartości  I

zmin

  układ 

≈

±

 

∆

 

∆

 

∆

I

Zmin

I

Zmax

R

S min

R

S max

U

we

U +

we

U -

we

U

we

U

we

1

2

3

1

2

3

charakterystyka obciąŜenia

charakterystyka diody Zenera

charakterystyka wypadkowa

I

U

1
R

0

prosta

pracy

 

5

traci własność stabilizacji (zmiana kształtu charakterystyki diody), zaś powyŜej wartości I

zmax

 

występuje  niebezpieczeństwo  termicznego  zniszczenia  diody  (przekroczenie  mocy 
dopuszczalnej).  Wartość  rezystora  szeregowego  R

s

  decyduje  o  nachyleniu  faktycznej  prostej 

pracy, a więc decyduje o prawidłowej pracy stabilizatora. 

Zadanie  właściwego  zaprojektowania  stabilizatora  sprowadza  się  głównie  do 

problemu prawidłowego dobrania wartości R

s

 (przy danych wartościach R

0

, U

Z

  i  U

we

). 

Jakość  stabilizacji  napięcia  charakteryzuje  współczynnik  stabilizacji  zdefiniowany 

jako  stosunek  względnej  zmiany  napięcia  wyjściowego  do  względnej  zmiany  napięcia 
wejściowego, czyli:  

 

we

we

wy

wy

U

U

U

U

k

∆

∆

=

 

 
Oczywiste jest Ŝe, im k ma mniejszą wartość tym lepsza 
jest stabilizacja układu (typowe wartości: k=0,02

÷

0,05). 

 

Układ  zastępczy  stabilizatora  dla  składowej  zmiennej  napięcia 

∆

U  (czyli  tętnienia, 

które stabilizator ma zmniejszyć) ma postać jak na rys. 6. Dioda Zenera jest przedstawiona za 
pomocą jej modelu zastępczego dla małych sygnałów, czyli rezystancji r

z

 . 

 

Rys. 6. Układ zastępczy stabilizatora dla składowej zmiennej napięcia 

 

Rezystancje  R

s 

oraz  równolegle  połączone  r

z

||R

0

  tworzą  dzielnik  napięcia.  Na  podstawie 

analizy powyŜszego układu moŜna napisać, Ŝe: 

z

o

o

z

s

z

o

o

z

we

wy

r

R

R

r

R

r

R

R

r

U

U

+

⋅

+

+

⋅

=

∆

∆

 

Zwykle r

z

 << R

o

, a  R

s

 >> r

z 

,  tak więc moŜna napisać, Ŝe  

s

z

we

wy

R

r

U

U

≈

∆

∆

  

Wstawiając powyŜsze wyraŜenie do wzoru na k otrzymujemy: 

wy

we

s

z

U

U

R

r

k

⋅

=

 

Na podstawie tego wzoru widać, Ŝe układ ma tym lepsze własności stabilizacyjne im wartość 
rezystancji szeregowej R

s

 jest większa, a wartość rezystancji dynamicznej r

z

 diody - mniejsza. 

Wartość  rezystancji  dynamicznej  r

z

  moŜemy  obliczyć  na  podstawie  zmierzonej 

charakterystyki diody (jak na rys. 3) lub w przypadku stałego nachylenia charakterystyki: 

r

U

U

I

I

z

Z

Z

Z

Z

=

−
−

max

min

max

min

 

R

S

R

0

r

Z

U

wy

U

we

∆

∆

 

6

Gdy  napięcie  zasilające  wyniesie  U

we

  + 

∆

U

we

  wtedy  prąd  płynący  przez  układ  jest 

maksymalny, a wartość rezystancji R

S

 nie moŜe być mniejsza od R

Smin

: 

 

(

)

o

z

Z

z

we

we

S

R

U

I

U

U

U

R

+

−

∆

+

=

max

min

 

gdzie: 

U

R

z

o

   -   prąd obciąŜenia

 

  

 

 

 

 

 

U

Z

   -  nominalne napięcie stabilizacji 

 
Gdy  napięcie  zasilające  wyniesie  U

we

  - 

∆

U

we

,  to  wówczas  prąd  płynący  przez  układ 

jest najmniejszy a wartość rezystancji ograniczającej prąd nie moŜe być większa od wartości 
R

Smax 

(

)

O

Z

Z

Z

we

we

S

R

U

I

U

U

U

R

+

−

∆

−

=

min

max

 

Obliczenia określają dozwolony zakres wartości rezystora R

S

. Dla uzyskania moŜliwie 

małych wartości k wybieramy wartość rezystora moŜliwie bliską wartości R

Smax

.  

NaleŜy  jednak  pamiętać  iŜ  duŜa  wartość  rezystora  R

S

  jest  okupiona  duŜym  spadkiem 

napięcia na nim i stratą mocy w stabilizatorze. A więc naleŜy szukać kompromisu. 

 

ZałoŜenia projektowe: 

Aby zaprojektować stabilizator przyjmujemy następujące załoŜenia: 

U

we

 ~ 1,5 U

Z                   

gdzie: U

z

 poŜądane napięcie stabilizowane (w naszym przypadku  

napięcie Zenera dostępnej diody) 

∆

U

we

 = 

±

10%U

we 

I

Zmax

 = P

max

/U

Z

 

I

Zmin

 - określane na podstawie charakterystyki 

R

o

 

≈

 1

÷

10 k

Ω

  

 
 

2

 

Kolejność zadań do wykonania  

1.

 

Pomiar  charakterystyki  I-U  wyznaczonej  diody  Zenera  w  zakresie  zaporowym  i 

wyznaczenie parametrów charakterystycznych, w tym U

Z

, I

Zmin

 oraz r

z

. 

2.

 

Obliczenie rezystancji szeregowej R

s

  i spodziewanej wartości współczynnika k. 

3.

 

MontaŜ układu stabilizatora. 

4.

 

Podłączenie zasilania i pomiary przebiegów napięciowych na oscyloskopie. 

5.

 

Obliczenia  współczynnika  stabilizacji  układu  dla  dwóch  wartości  rezystancji 

obciąŜenia R

o

 (np.: 1k, 10k). 

 

 

7

 

3

 

Pomiary i obliczenia 

3.1

 

Pomiar  charakterystyki  I-U  diody  Zenera  i  wyznaczenie  napięcia  przebicia  U

z

  

oraz rezystancji dynamicznej r

z

.  

Podstawową metodą wykorzystywaną do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych jest 
metoda techniczna. Układ pomiarowy przedstawiono na rys.7. Zasilacz napięciowy wymusza 
przepływ  prądu  w  obwodzie  Dokonując  odczytów  wartości  prądów  i  napięć  w  kolejnych 
punktach charakterystyki sporządzamy tabelę wyników i tworzymy wykres zaleŜności I=f(U). 
Mierniki  prądu  i  napięcia  (multimetry  cyfrowe)  mogą  być  podłączone  łączem  RS-232  do 
komputera i za pomocą programu REJESTRATOR wyniki pomiarów mogą być zapamiętane 
i  przetworzone  na  wykres  charakterystyki  I-U  (zapoznaj  się  z  instrukcją  dotyczącą  tego 
programu).  W  tej  konfiguracji  układu  stosujemy  zasilacz  z  liniowym  narostem  napięcia  w 
czasie. W przypadku diody Zenera interesuje nas przede wszystkim zakres napięć, w którym 
obserwujemy gwałtowny wzrost prądu w kierunku zaporowym. 
 

 

Zasilacz z narostem 

napięcia U=f(t) 

badana 

dioda 

10

Ω

 

mA 

V 

V 

 

Rys. 7 Układ do pomiaru charakterystyki I-U diody Zenera. 

 
Procedura: 

1. Odczytać w danych katalogowych parametry dopuszczalne badanej diody.  
2.  Obliczyć  maksymalny  prąd  wsteczny  diody  I

Zmax

  wynikający  z  maksymalnej  mocy 

admisyjnej  diody.  Ustawić  ograniczenie  prądu  zasilacza  na  około  0,4  I

Zmax

  aby  uniknąć 

nadmiernego  nagrzewania  elementu  (praktycznie  wystarczy  zmierzyć  charakterystykę  I-U 
do  wartości  prądu  40mA).  W  tym  układzie  ograniczenie  stanowi  natęŜenie  prądu  diody, 
wobec tego nastawione maksymalne napięcie zasilacza moŜe i powinno przekraczać napięcie 
Zenera danej diody. W ten sposób charakterystyka będzie zmierzona do wartości ograniczenia 
prądowego  i  zobrazuje  cały  obszar  pracy  diody.  Gdy  ustawienie  zakresu  napięcia  będzie  za 
małe  (np.  równe  napięciu  nominalnemu  U

Z

),  zmierzymy  tylko  fragment  charakterystyki 

diody. 
3. Zmierzyć charakterystykę I-U w układzie przedstawionym na rys. 7 i wykreślić wykres w 
zakresie normalnej pracy diody Zenera.  
4.  Na  sporządzonym  wykresie  (uzyskanym  wydruku)  charakterystyki  I-U  zaznaczyć 
zakres napięć pracy wynikający z wartości I

Zmin

  i  I

Zmax

. Wyznaczyć parametry diody: 

U

Z

 oraz r

z

.  Nanieść takŜe punkt mocy dopuszczalnej diody. 

5.  Sprawdzić  czy  dioda  spełnia  pod  względem  tolerancji  napięcia  U

Z

  dane  katalogowe  dla 

danego typu diody. 
 

 

8

 

3.2

 

Obliczenie i pomiary układu stabilizatora napięcia z diodą Zenera. 

Procedura: 

1.  Wykonać  obliczenia  rezystora  R

s

    oraz  przewidywanego  współczynnika  stabilizacji  wg. 

wskazówek podanych w p. 1.3  oraz uwzględniając wyniki pomiarów, p. 3.1. 
2. Połączyć obwód jak na rys.8. Generator z transformatorem separującym (na płytce) stanowi 
ź

ródło  tętnień  dodawanych  do  stałego  napięcia  zasilacza.  Stanowi  to  dobrą  symulację 

napięcia,  które  zapewnia  prostownik  z  filtrem  pojemnościowym  (układ  zasilacza  znany  z 
Ć

w. 3).  Ustawić  napięcie  zasilacza  DC  U

we

=1,5  U

Z. 

Ustawić  sygnał  (sin,  f<400Hz)  z 

generatora tak aby uzyskać tętnienia na wejściu  U

B

 =

∆

U

we

 = 

±

10%U

we 

 

 

 

Rys.8  Schemat montaŜowy układu stabilizatora napięcia

 

 
3.  Wykonać  pomiary  przebiegów  napięciowych  na  wejściu  stabilizatora  U

we

  =U

B

  (CH1)  

i na wyjściu stabilizatora U

wy

 =U

C

 (CH2) - porównaj takŜe schematy z rys.4 i rys.6.  

W celu obserwacji i pomiaru przebiegów całkowitego napięcia (DC tętnień) ustawić wejścia 
kanałów w trybie DC. 
W  celu  dokładnego  pomiaru  tętnień  ustawić  wejścia  kanałów  w  trybie  AC.  Ustawić 
odpowiednie  narzędzia  pomiarowe  ekranu  (menu  Measure)  do  wyznaczenia  wielkości 
amplitudy napięcia tętnień U

pp

.  

Przebiegi  oscyloskopowe  zapamiętać  i wydrukować  (jeśli  oscyloskop  jest  połączony  z 
drukarką lub z komputerem aplikacją DSO3000). Do wydruku usunąć kolor (tylko B&W). 
Opisać uzyskane wydruki przebiegów. 
4. Obliczyć współczynnik stabilizacji napięcia, k . 
Wykonać powyŜsze pomiary dla dwóch wartości obciąŜenia R

o

. (jeśli czas pozwoli). 

4

 

Wnioski 

Podsumowanie  wyników  opracowanych  na  załączonych  i  uzupełnionych  odręcznie 
charakterystykach i przebiegach sygnałów napięciowych.