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. 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 (≈108 V/m). W warstwa zuboŜona n Wg p WC WF WV Rys. 1. Model pasmowy złącza p-n z zaznaczonym efektem Zenera – tunelowe przejście elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. W warstwa zuboŜona n Wg p WC WF WV 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. 2 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 UZ UZmax UZmin U IZmin I1 U1 Pmax I2 U2 rz = dU U 2 − U 1 ≅ dI I 2 − I1 hiperbola mocy admisyjnej IZmax Rys. 3. Charakterystyka diody Zenera przy polaryzacji zaporowej Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę diody Zenera spolaryzowanej w kierunku zaporowym wraz z jej podstawowymi parametrami: UZ – napięcie Zenera, IZmin – minimalny prąd wsteczny (przy mniejszych wartościach prądu dioda nie ma właściwości stabilizacyjnych), IZmax – maksymalny prąd wsteczny (przy większych wartościach prądu dioda moŜe ulec uszkodzeniu), rz – 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 (UZnom) diody: C - tolerancja 5% czyli: UZ = UZnom ± 5%UZnom D - tolerancja 10% UZ = UZnom ± 10%UZnom 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 IZmax . 3 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 R0 (1) oraz wynikową charakterystykę I-U układu z obciąŜeniem R0 dołączonym równolegle do diody Zenera na wyjściu układu stabilizatora (3). Całkowity prąd w rezystorze Rs jest sumą prądu płynącego przez diodę i obciąŜenie. Linią przerywaną naniesiono proste pracy wynikające z moŜliwych do przyjęcia wartości rezystora szeregowego Rs oraz szczytowych wartości napięcia wejściowego, tzn. amplitud ∆Uwe (napięcia tętnienia) „nałoŜonych” na poziom napięcia stałego Uwe. 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 (∆ ∆Uwy) do niewielkich amplitud (∆ ∆Uwy) napięcia wyjściowego, które jest napięciem stabilizowanym. ≈ ±∆ Rys. 4. Schemat układu stabilizatora opartego na diodzie Zenera Uwe+∆Uwe Uwe U Uwe- ∆Uwe IZmin 1 R0 RS max 1 1 charakterystyka obciąŜenia RS min 2 prosta pracy 2 charakterystyka diody Zenera 3 3 charakterystyka wypadkowa IZmax I Rys. 5. Charakterystyka prądowo-napięciowa stabilizatora z diodą Zenera Zmiana napięcia wejściowego Uwe o ±∆Uwe powoduje zmianę połoŜenia punktu pracy na charakterystyce wypadkowej stabilizatora. Aby układ stabilizował punkt pracy powinien “poruszać się” w dopuszczalnym zakresie prądów Izmax ÷ Izmin. PoniŜej wartości Izmin układ 4 traci własność stabilizacji (zmiana kształtu charakterystyki diody), zaś powyŜej wartości Izmax występuje niebezpieczeństwo termicznego zniszczenia diody (przekroczenie mocy dopuszczalnej). Wartość rezystora szeregowego Rs 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 Rs (przy danych wartościach R0, UZ i Uwe). Jakość stabilizacji napięcia charakteryzuje współczynnik stabilizacji zdefiniowany jako stosunek względnej zmiany napięcia wyjściowego do względnej zmiany napięcia wejściowego, czyli: ∆U wy k= Oczywiste jest Ŝe, im k ma mniejszą wartość tym lepsza jest stabilizacja układu (typowe wartości: k=0,02÷0,05). U wy ∆U we U we 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 rz . RS ∆Uwe rZ R0 ∆Uwy Rys. 6. Układ zastępczy stabilizatora dla składowej zmiennej napięcia Rezystancje Rs oraz równolegle połączone rz||R0 tworzą dzielnik napięcia. Na podstawie analizy powyŜszego układu moŜna napisać, Ŝe: ∆U wy ∆U we rz ⋅ Ro Ro + rz = r ⋅R Rs + z o Ro + rz Zwykle rz << Ro, a Rs >> rz , tak więc moŜna napisać, Ŝe ∆U wy ∆U we ≈ rz Rs Wstawiając powyŜsze wyraŜenie do wzoru na k otrzymujemy: k= rz U we ⋅ Rs U wy Na podstawie tego wzoru widać, Ŝe układ ma tym lepsze własności stabilizacyjne im wartość rezystancji szeregowej Rs jest większa, a wartość rezystancji dynamicznej rz diody - mniejsza. Wartość rezystancji dynamicznej rz moŜemy obliczyć na podstawie zmierzonej charakterystyki diody (jak na rys. 3) lub w przypadku stałego nachylenia charakterystyki: U Z max − U Z min rz = I Z max − I Z min 5 Gdy napięcie zasilające wyniesie Uwe + ∆Uwe wtedy prąd płynący przez układ jest maksymalny, a wartość rezystancji RS nie moŜe być mniejsza od RSmin: Uz (U + ∆U we ) − U z gdzie: - prąd obciąŜenia RS min = we U Ro I + z Z max Ro UZ - nominalne napięcie stabilizacji Gdy napięcie zasilające wyniesie Uwe - ∆Uwe, to wówczas prąd płynący przez układ jest najmniejszy a wartość rezystancji ograniczającej prąd nie moŜe być większa od wartości RSmax RS max = (U we − ∆U we ) − U Z I Z min + UZ RO Obliczenia określają dozwolony zakres wartości rezystora RS. Dla uzyskania moŜliwie małych wartości k wybieramy wartość rezystora moŜliwie bliską wartości RSmax. NaleŜy jednak pamiętać iŜ duŜa wartość rezystora RS 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: Uwe ~ 1,5 UZ gdzie: Uz poŜądane napięcie stabilizowane (w naszym przypadku napięcie Zenera dostępnej diody) ∆Uwe = ±10%Uwe IZmax = Pmax/UZ IZmin - określane na podstawie charakterystyki Ro ≈ 1÷10 kΩ 2 Kolejność zadań do wykonania 1. Pomiar charakterystyki I-U wyznaczonej diody Zenera w zakresie zaporowym i wyznaczenie parametrów charakterystycznych, w tym UZ, IZmin oraz rz. 2. Obliczenie rezystancji szeregowej Rs 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 Ro (np.: 1k, 10k). 6 3 Pomiary i obliczenia 3.1 Pomiar charakterystyki I-U diody Zenera i wyznaczenie napięcia przebicia Uz oraz rezystancji dynamicznej rz. 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. 10Ω Zasilacz z narostem napięcia U=f(t) mA badana dioda 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 IZmax wynikający z maksymalnej mocy admisyjnej diody. Ustawić ograniczenie prądu zasilacza na około 0,4 IZmax 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 UZ), 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 IZmin i IZmax. Wyznaczyć parametry diody: UZ oraz rz. Nanieść takŜe punkt mocy dopuszczalnej diody. 5. Sprawdzić czy dioda spełnia pod względem tolerancji napięcia UZ dane katalogowe dla danego typu diody. 7 3.2 Obliczenie i pomiary układu stabilizatora napięcia z diodą Zenera. Procedura: 1. Wykonać obliczenia rezystora Rs 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 źródło tętnień dodawanych do stałego napięcia zasilacza. Stanowi to dobrą symulację napięcia, które zapewnia prostownik z filtrem pojemnościowym (układ zasilacza znany z Ćw. 3). Ustawić napięcie zasilacza DC Uwe=1,5 UZ. Ustawić sygnał (sin, f<400Hz) z generatora tak aby uzyskać tętnienia na wejściu UB =∆Uwe = ±10%Uwe Rys.8 Schemat montaŜowy układu stabilizatora napięcia 3. Wykonać pomiary przebiegów napięciowych na wejściu stabilizatora Uwe =UB (CH1) i na wyjściu stabilizatora Uwy =UC (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 Upp. 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 Ro. (jeśli czas pozwoli). 4 Wnioski Podsumowanie wyników opracowanych na załączonych i uzupełnionych odręcznie charakterystykach i przebiegach sygnałów napięciowych. 8
