Lab 2 Stabilizator Oparty Na Diodzie Zenera (2)

5/16/2018 Lab 2 Stabilizator Oparty Na Diodzie Zenera (2) - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/lab-2-stabilizator-oparty-na-diodzie-zenera-2 1/6

SprawozdanieElektronika i Miernictwo

Ćwiczenie nr: 2

Rok2010

Temat ćwiczenia:

Stabilizator oparty

na diodzie Zenera

1. Nazwisko i imię

Łukasz Olech

Wykres

2. Nazwisko i imię

Andrzej Chmielewski

Wykres

Grupa laboratoryjna nr :

A

Dzień tygodnia: Środa

Godziny zajęć lab: 9.15-11.00



1. Wstęp teoretyczny:• Rodzaje przebić i warunki ich występowania w złączu p-n

Przebicie jest to gwałtowny przepływ prądu. W złączach p-n mamy do czynienia z 2 rodzajami

przebić, przebiciem lawinowym oraz przebiciem Zenera. W złączu p-n do przebicia dochodzi

w momencie przekroczenia ustalonego prądu (Up) w polaryzacji zaporowej złącza.o Przebicie Zenera – przejście bez straty energii (efekt tunelowy) elektronu z pasma

podstawowego półprzewodnika typu ‘p’ do pasma przewodnictwa półprzewodnika

typu ‘n’. Występuje w złączach silnie

domieszkowanych, czyli takich, w których

szerokość warstwy zaporowej wynosi

poniżej 1 mikrometra. Występuje dla

napięć przebicia (zwanego też w tym

przypadku napięciem Zenera)

Up < (4Wg)/e, gdzie

W – szerokość pasma zabronionego

Up – napięcie przebicia

e – elementarny ładunek elektryczny

o Przebicie Lawinowe – jonizacja

zderzeniowa o charakterze lawinowym w

obszarze złącza. Występuje dla szerokich

warstw zubożonych (słabe

domieszkowanie) i charakteryzuje się napięciem przebicia Up > (6Wg)/e

o Warto podkreślić, że dla Up z przedziału (6Wg)/e < Up < (4Wg)/e oba rodzaje przebić

mogą zachodzić równocześnie

• Diody stabilizacyjna i jej charakterystyka prądowo-napięciowaDioda stabilizacyjna (Zenera) – złącze p-n, którego zadaniem jest stabilizacja napięcia. Przy

polaryzacji w kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody)

odznacza się praca typową dla diody półprzewodnikowej, natomiast przy polaryzacji

zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) wykazuje cechy stabilizatora

napięcia (po przekroczeniu napięcia przebicia). Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym,

że dużym zmianom prądu diody towarzyszą bardzo małe zmiany spadku napięcia. Diodę

Zenera cechuje:

• przebicie nie powoduje uszkodzenia diody• dokładne wyznaczenie napięcia przebicia (zazwyczaj tolerancja 5%)

• mała oporność dynamiczna

• możliwie gwałtowne przejście diody ze stanu polaryzacji zaporowej, do stanu

przebicia złącza (możliwie ostre przegięcie na wykresie charakterystyki prądowo-

napięciowej)

• duża wrażliwość na zmiany temperaturowe

Charakterystyka prądowo-napięciowa – przedstawiona na Rysunek 1. Opisywana przez:

U Zmin - minimalne napięcie stabilizacji

U Zmax - maksymalne napięcie stabilizacji

I Zmin - minimalny prąd stabilizacji

I Zmax - maksymalny prąd stabilizacji

Stabilizacja napięcia odbywa się między U Zmin a U Zmax .

Rysunek 1: Charakterystyka prądowo-

napięciowa diody stabilizacyjnej



Rysunek 2: układ stabilizatora oparty na diodzie Zenera

• Parametry diody stabilizacyjnej o Napięcie Zenera (stabilizacji) – po przekroczeniu tej wartości następuje przebicie

Zenera

o Prąd Zenera (stabilizacji) – wartość natężenia prądu odpowiadająca napięciu

Zenerao Rezystancja statyczna - rezystancja wyznaczona z prawa Ohma

o Rezystancja dynamiczna - opisuje zmiany zachodzące w otoczeniu

obranego punktu pracy (zmienna w zależności od napięcia stabilizacji)

• Stabilizator oparty na diodzie ZeneraSchemat stabilizatora,

którego będziemy używać

podczas laboratorium jest

przedstawiony na Rysunek 2.

Składa się on z dwóch

woltomierzy (jeden testujący

napięcie wejściowe, drugi

natomiast napięcie na

obciążeniu), dwóch oporników oraz diody Zenera. Do prawidłowego działania stabilizatora

należy dobrać tak parametry, aby pracował on w przedziale pomiędzy I Zmin i I Zmax .

Poniżej tego zakresu układ traci swoje właściwości stabilizacyjne a powyżej grozi ulegnięciem

zniszczeniu cieplnemu. Za ustalenie wartości prądu płynącego przez diodę i do obciążenia

Robc odpowiada wartość rezystancji opornika szeregowego RS .

• Współczynnik stabilizacji Współczynnik stabilizacji k jest to stosunek względnej zmiany napięcia wyjściowego do

względnej zmiany napięcia wejściowego. Określa skuteczność układu stabilizującego, im jest

mniejszy, tym lepsze własności stabilizacyjne posiada obwód. Wyraża się wzorem (1).

(1)

2. Cel ćwiczenia:Naszym celem będzie zaprojektowanie stabilizatora napięcia opartego o diodę Zenera, a

następnie złożenie takiego układu w celu określenia zależności napięcia wyjściowego w

funkcji napięcia wejściowego. Dodatkowo spróbujemy wyznaczyć współczynnik stabilizacji.

Do zaprojektowania stabilizatora posłużymy się następującymi założeniami:

ΔU we=±10 %

U = Zmax− Zmin U =5,2V −4,7V

4 7 =4 5

U we=2U Zenera=4,95V ⋅2=9,9V

k =

ΔU wy

U wy

ΔU we

U we

= ΔU wy U we

ΔU we U wy



Robc=470 Ω

3. Plan ćwiczenia:

• zmontować układu pomiarowy• wykonać pomiary zależności napięcia od natężenia na diodzie Zenera

• wykreślić charakterystykę prądowo-napięciowej diody Zenera

• na podstawie wykresu wyznaczyć zakres stabilizacji, U Zmin , U Zmax , I Zmin ,

I Zmax

• wyznaczyć na podstawie danych pomiarowych wartość rezystancji dynamicznej r dyn

• zaprojektować i zmontować stabilizator napięcia z uwzględnieniem założeń z punktu 2

• pomiar zależności napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego

zaprojektowanego stabilizatora, zilustrować wyniki wykresem

• obliczyć współczynnik stabilizacji

4. Realizacja planu ćwiczenia:• Układ pomiarowy został złożony według Rysunku 3. Jako badaną diodę Zenera użyliśmy

półprzewodnika o oznaczeniu D4V7. Jest to dioda o znamionowym napięciu stabilizacji

wynoszącym 4,7V, tolerancji 10%, U Zmin=4,7V , U Zmax=5,2V ,

I Zmin=0,42mA , I Zmax=7,62mA Do pomiaru użyliśmy dwóch multimetrów,

jeden wyznaczał napięcie na diodzie(w woltach), drugi natomiast natężenie prądu

płynącego w obwodzie(w

miliamperach), zaraz za źródłem

zasilania.

• Pomiary napięcia diody od natężenia

płynącego prądu zostały zebrane w

Tabeli 1

• Wykres charakterystyki prądowo-

napięciowej przedstawiony jest na

Wykresie 1.

• ZAKRES STABILIZACJI

• Rezystancja dynamiczna r dynwyraża się Wzorem 2. Punktem pracy diody, w obrębie której

wyznaczymy r dyn jest obszar na wykresie, w którym dioda pełni rolę stabilizacyjną

(natężenia od I Zmin do

I Zmax )

(2)

• Zmontowany przez nas układ stabilizacyjny przedstawiony jest na Rysunku 2. W procesie

projektowania posługujemy się założeniami wypisanymi w punkcie 2. Wartość R obc została

podana i wynosi 470Ω, natomiast R s ustalamy tak, aby był jak najbliższy wartości R smax

jednak jej nie przekraczał (Wzór 3).

Rysunek 3: Układ pomiarowy 1

r dyn=dU

dI =

U Zmax−U Zmin

I Zmax− I Zmin

r dyn=U Zmax−U Zmin

I Zmax− I Zmin

=,55V − ,55V

,555555mA− ,555555mA= ,6666

RSmax=U we− ΔU we−U Zmin

I ZminU Zmin

Robc

=U5 Z − ΔU we−U Zmin

I ZminU Zmin

Robc



(3)

(4)

Więc w naszym układzie Rs=270Ω.

• Obliczymy współczynnik stabilizacji k podstawiając dane do wzoru (1):

, gdzie

dla mamy:

Po podstawieniu do wzoru na k:

(5)

z wykresu numer 2 obieramy punkt pracy, w którym Uwe =10,50V Uwy =6,70V

5. Wyniki pomiarów i ich omówienie:5.1 Wyniki:

Tabela 1: wyniki pomiarów

charakterystyki prądowo-napięciowej diody Zenera

Tabela 2: wyniki pomiarów

napięcia na oporniku Robc w zależności od napięcia

wejściowego

RSmin=U we− ΔU we−U Zmax

I Zmax

U Zmax

Robc

=2U Z − ΔU we−U Zmax

I Zmax

U Zmax

Robc

RSmax=2⋅4,95V −0,1⋅9,9V −4,7V

0,00042 A4,7V

470

=404,8464653≈405[Ω ]

RSmin=2⋅4,95V −0,1⋅9,9 V −5,2V

0,00762 A5,2 V

470

=198,567426606236≈198,57 [Ω ]

Rysunek 4: schemat zaprojektowanego stabilizatora

k =

ΔU wy

U wy

ΔU we

U we

= ΔU wyU we

ΔU weU wy

ΔU wy

ΔU we

=

r dyn⋅ Robc

Robcr dyn

R sr dyn⋅ Robc

Robcr dyn

r dyn≪ Robc i r dyn≪ R s

ΔU wy

ΔU we

≈r dyn

R s

k ≈r dyn⋅U wy

R s⋅U we

k ≈r dyn⋅U wy

R s⋅U we

=,5555⋅ ,555V

555⋅ ,5555V = ,6666666≈ ,555



U[V] I[mA] Uwej[V] Uobc[mV]

3.14 0.03 4.70 2.94

3.26 0.05 4.80 3.02

3.41 0.07 4.90 3.04

3.50 0.09 5.00 3.12

3.61 0.11 5.10 3.18

3.72 0.15 5.20 3.23

3.80 0.19 5.30 3.28

3.95 0.28 6.30 4.01

4.00 0.34 7.30 4.81

4.10 0.42 8.30 5.62

4.21 0.56 9.00 6.114.29 0.70 9.50 6.42

4.40 0.95 9.90 6.53

4.50 1.26 10.00 6.59

4.60 1.65 10.10 6.62

4.71 2.27 10.20 6.65

4.81 3.03 10.30 6.67

4.92 4.17 10.40 6.68

5.00 5.72 10.50 6.70

5.10 7.62 10.60 6.73

5.2 Omówienie wyników:

Wyniki pomiarów pokrywają się z grubsza z oczekiwaniami, do momentu Uwe=10,00 napięcie

wyjściowe rośnie liniowo wraz ze wzrostem napięcia wejściowego, a powyżej tej wartości napięcie wyjściowe

stabilizuje się, nieznacznie rosnąc w odniesnieniu do napięcia wejściowego.

6. Wnioski:

Współczynnik stabilizacji wyszedł relatywnie duży, co ma swoje usprawiedliwienie w

charakterystyce diody użytej do doświadczenia. Jej zakres pracy, który spełniał warunki doświadczenia był

dość rozległy, co w rezultacie dało nam dość wysokie r d. W ostateczności daje nam to wysoki współczynnik

stabilizacji, choć dalej jak najbardziej satysfakcjonujący.

Lab 2 Stabilizator Oparty Na Diodzie Zenera (2)

Documents

Transcript of Lab 2 Stabilizator Oparty Na Diodzie Zenera (2)