Lab 2 Stabilizator Oparty Na Diodzie Zenera (2)
-
Upload
andrzej-chmielewski -
Category
Documents
-
view
333 -
download
0
Transcript of 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
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 2/6
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
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 3/6
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
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 4/6
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
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 5/6
(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
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 6/6
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.