Téma 4. : Stabilizačné diódy ( L, ) adanie: 1. Oboznámte sa so základnými vlastnosťami a s katalógovými parametrami predložených stabilizačných diód. 2. merajte V-charakteristiky stabilizačných diód v priepustnom i v závernom smere a znázornite graficky D f ( D ): a) pre diódu s <5V b) pre diódu s >6V 3. nameraných VCH predložených stabilizačných diód určte typ nedeštruktívnych mechanizmov napäťového prierazu v predložených stabilizačných diódach. 4. Vypočítajte dynamický odpor r, jednosmerný odpor a činiteľ nelinearity n predložených stabilizačných diód. Porovnajte nameranú hodnotu r s katalógovou hodnotou. 5. Vypočítajte akú veľkú hodnotu odporu musí mať predradný rezistor P v jednoduchom stabilizátore pre jednu z predložených stabilizačných diód, aby vznikol spoľahlivý stabilizátor napätia ak na vstupe uvažujete napätie 14V. 6. Overte činnosť jednoduchého stabilizátora - použite jednosmerné napájacie napätie od 0V do 20V, vypočítaný predradný odpor a záťaž o veľkosti L1, L2 a L3. 7. Navrhnite jednoduchý stabilizátor so enerovou diódou na stabilizáciu napätia O. važujte s prúdom cez záťaž L, so záťažovým rezistorom L a vstupným napätím. - P P D L L Obr. 4.1. Schéma zapojenia jednoduchého stabilizátora napätia so stabilizačnou diódou. Štúdijná literatúra: ELEKTONCKÉ SYSTÉMY-PEDNÁŠKY, skriptá : Žiška, M. - Stuchlíková, Ľ.: Elektronické prvky 1 str. 111-118, 1 V skriptách si prosím opravte uvedené preklepy : str.115 vzťah (6.30) ( L ), súčasne je nutné doplniť zátvorky aj pri príslušných číselných vyjadreniach. Lubica.Stuchlikova@stuba.sk 1
Podklady k realizácii úloh zadania K bodu 1: veďte katalógové údaje predložených polovodičových diód: enerovo napätie, maximálny prúd v závernom smere max dynamický odpor r v pracovnom bode (, ). K bodu 2: apojte stabilizačnú diódu do obvodu podľa obr. 4.2. D P P N D D V N D D - K - K a) b) V Obr. 4.2. Schéma zapojenia na meranie VCH diódy a) v priepustnom a b) závernom smere merajte V- charakteristiky diód v priepustnom (min 4 body, Fmax 10 m ) a v závernom smere (min 8 bodov; max ), Grafické závislosti oboch diód vynášajte do jedného grafu!!! D f ( D ) Vzájomne porovnajte namerané závislosti z hľadiska mechanizmu prierazu. vedomte si, že vo VCH sledujete ako sa mení prúd tečúci diódou D v závislosti od veľkosti napätia D pripojeného na diódu. Pri meraní VCH diódy v oboch smeroch sa odporúča nastavovať hodnoty prúdu D a sledovať odpovedajúce hodnoty napätia D. Na citlivejšiu reguláciu prúdu diódou je vhodné zaradiť do meracieho obvodu namiesto rezistora potenciometer. Pri voľbe meracích bodov vychádzajte z toho, že je nutné detailne zmapovať oblasť okolo kolena, t.j. keď sa začína prieraz v závernom smere!! Voľte body tak, aby ste vystihli podstatu VCH v nelineárnej oblasti voľte meracie body hustejšie, lineárne časti charakteristiky stačí popísať dvoma bodmi (obr. 3.3). Odporučené hodnoty D pri meraní VCH v priepustnom smere D 10µ, 100µ, 250µ, 500 µ, 1m, 2m. Odporučené hodnoty pri meraní VCH v závernom smere 10µ, 50µ, 100µ, 250µ, 500µ, 1m, PB, PB2, 5m, 10m, 20m. F F T( C) 2 1 (m) F 1 2 MX T( C) lavínový prieraz TK >0 T20 C T75 C TK <0 T( C) enerov prieraz F Obr. 4.3. VCH stabilizačnej diódy s napäťovým prierazom v závernom smere s naznačenou teplotnou závislosťou pre jednotlivé typy nedeštruktívneho prierazu. Lubica.Stuchlikova@stuba.sk 2
K bodu 3: enerov jav: prierazné napätia sú nízke, typicky od 0 do 5,6 V, po prieraze pozvoľný pokles VCH. Lavínový jav: prierazné napätia sú nad 5,6 V, po prieraze strmý pokles VCH. enerov jav a lavínový jav sa uplatňujú súčasne pri prieraznom napätí 5,6 V. (vplyv teploty je minimálny, TK je nulové). K bodu 4: d Diferenciálny odpor r je definovaný v prac. bode (, ) r. d Graficky sa určuje ako smernica dotyčnice v pracovnom bode. Statický odpor Činiteľ nelinearity n n r K bodu 5: Podmienky pre návrh spoľahlivého stabilizátora napätia sú uvedené v skriptách : Žiška, M. - Stuchlíková, Ľ.: Elektronické prvky, str. 114-118. Hodnotu predradného odporu P volíme tak, aby cez stabilizačnú diódu tiekol maximálne prúd 0,2 MX a nesmie poklesnúť pod úroveň hodnoty 0,1 MX Postup pri výpočte hodnoty odporu predradného rezistora P : vyberte si jednu z predložených stabilizačných diód zvoľte si hodnotu (z katalógu odčítajte hodnotu MX a určite si interval dovolených prúdov cez stabilizačnú diódu ) z nameranej VCH odčítajte pri zvolenom pre danú záťaž L a napájacie napätie vypočítajte pomocou Kirhoffových zákonov P P K bodu 6: apojte stabilizačnú diódu do obvodu podľa obr. 4.4. P L L ~ GEN P - O D K V L OSC Obr. 4.4. Schéma zapojenia na overenie činnosti jednoduchého stabilizátora. Pozorujte a zakreslite priebehy napätí na vstupe a výstupe pri rôznych hodnotách a L. Pre zvolenú záťaž L odčítajte hodnotu napájacieho napätia, pri ktorom sa stabilizačná dióda otvára Lubica.Stuchlikova@stuba.sk 3
a veľkosť prúdu tečúceho cez záťaž po otvorení stabilizačnej diódy. Odčítané hodnoty porovnajte z hľadiska veľkosti L. Odporučená tabuľka: (V) (m) (V) L (kω ) nákres (t) nákres O (t) 0,1 L 1 L PB L PB Lmin PB K bodu 7: Lmax Návrh jednoduchého stabilizátora so enerovou diódou na stabilizáciu napätia O (obr. 4.1.) Príklad Postup návrhu Miroslav Toman O 5V, L 33m, L 150Ω, 10V Podľa žiadaného O volíme diódu s O 5V 6,5V Podmienka správnej činnosti 1,5 10V 1,5 5V 12V 1,5 6,5V Podľa žiadaného L a volíme prac L max 2 L P diódy (P D max. ) Výber diódy podľa katalógu Overenie voľby diódy Výpočet P P P prac 33m max 2 33m 66m P D 66m 5V 330mW K141 (400mW), K260/5V1(1,3W) K141 (400mW), max 400mW/5V 80m> 66m Vyhovuje požiadavke P (10V-5V)/( 33m33m) O 6,5V, L 87m, L 75Ω, 12V prac 87m max 2 87m 174m P D 174m 6,5V 1131mW K260/6V8 (1,3W) K260/6V8 (1,3W), max 1300mW/6,5V 200m> 174m Vyhovuje požiadavke P (12V-6,5V)/( 87m87m) P 31,6Ω P 75,7Ω Voľba P P 75Ω P 32Ω rčenie r d (katalóg, VCH) r d 8Ω ( pre 30m) r d 3,6Ω (pre 80m) rčenie činiteľa napäťovej stabilizácie s d d( P rd ) P rd 75Ω 8Ω 32Ω 3.6Ω s > 1 s 10, 4 s 9. 89 d drd rd 8Ω 3.6Ω rčenie možného rozkmitu L ( konšt) ozkmit 0,1 max max 6,6m 66m 17,4m 174m rozkmit L je doplnok do konšt P rozkmit L P 66m L 0m 60m P 174m L 0m 156,6m rčenie možného rozkmitu ( L konšt) max P max P ( max L ) P min P max P ( min L ) P max (66m 33m) 75Ω 5V 12,42V min (6,6m 33m) 75Ω 5V 7,97V 7,97V 12,42V max (174m87m) 32Ω 6,5V 14,85V min (17,4m87m) 32Ω 6,5V 9,84V 9,84V 14,85V Lubica.Stuchlikova@stuba.sk 4
Teória eálne diódy - napäťový prieraz Napäťový prieraz je prudké zvýšenie prúdu v závernom smere po prekročení určitého prierazného napätia P. Prierazný mechanizmus môže byť tepelný, enerov alebo lavínový. Tepelný prieraz je spôsobený lokálnym prehriatím polovodičového materiálu z dôvodu veľkej výkonovej straty koncentrovanej do malého objemu polovodiča pri nedostatočnom odvode tepelnej energie. Tepelný prieraz je deštruktívny, súčiastka je ďalej nefunkčná. enerov jav nastáva pri silnej závernej polarizácii strmého pn priechodu. dôvodu strmosti pn priechodu sú prierazné napätia nízke, typicky od 0 do 5,6 V. Na rozhraní pn priechodu, v oblasti priestorového náboja, vzniká veľmi vysoké elektrické pole. V silnom elektrickom poli sú valenčné elektróny vytrhávané z atómových väzieb a stávajú sa voľnými (vnútorný emisný jav) 2. výšenie počtu voľných elektrónov v polovodiči spôsobuje prudký nárast elektrického prúdu. Tento prieraz sa nazýva aj ako jav tunelovania cez pn priechod, keďže ho je možné vysvetliť pomocou pásmového modelu. Všeobecne platí, že zakázané pásmo sa v elektrickom poli zošikmuje. Vyplýva to zo skutočnosti, že potenciál, a teda aj potenciálna energia sa v elektrickom poli ξ mení s polohou x úmerne -eξx. k je elektrické pole dostatočne veľké, pásmo sa zošikmí natoľko, že potenciálová bariéra zakázaného pásma sa stane natoľko úzkou, až nastane tunelovanie. Podstatou lavínového javu je urýchľovanie voľných elektrónov v silnom elektrickom poli na veľmi vysoké rýchlosti. Skôr než dôjde k zrážke elektrónu s atómom, elektróny získajú kinetickú energiu dostatočnú na ionizáciu základných atómov polovodiča. rýchlené elektróny vyrážajú ďalšie elektróny z väzieb a znásobujú počet voľných elektrónov i dier. Nové i pôvodné - zabrzdené voľné elektróny sú ďalej urýchľované elektrickým poľom, takže po získaní dostatočnej energie, opäť vyrážajú viazané elektróny a opäť znásobujú počet voľných elektrónov a dier. Koncentrácia voľných nosičov náboja sa tak zvyšuje geometrickým radom, čo spôsobuje prudký nárast elektrického prúdu. Typické sú prierazné napätia nad 5,6V. enerov a lavínový jav sú nedeštruktívne mechanizmy napäťového prierazu citlivé na zmeny teploty. enerov jav reaguje na zmenu šírky zakázaného pásma vplyvom teploty. výšenie teploty spôsobuje zúženie zakázaného pásma a teda aj zúženie potenciálovej bariéry zakázaného pásma pn priechodu v silnom elektrickom poli. V dôsledku toho, pri rovnakom napätí sa zvýšením teploty zvyšuje elektrický prúd. To znamená, že pri zvýšení teploty sa prierazné - enerovo napätie posúva smerom k nižším hodnotám. Vplyv teploty na enerovo napätie kvantifikujeme teplotným 1 koeficientom enerovho napätia TK 1 0 TK, ktorý je pri enerovom jave 0 T1 T0 záporný. 1 a 0 predstavujú enerove napätia pri teplote T 1 a T 0. V prípade lavínovho javu si musíme uvedomiť, že najväčší podiel pri elektrónovom rozptyle majú zrážky elektrónov s fonónmi, tepelnými kmitmi kryštalickej mriežky. Preto pravdepodobnosť zrážky so zvyšovaním teploty rastie. To znamená, že lavínový prúd pri vyššej teplote klesá a prierazné lavínové napätie rastie, TK je kladné. Jednoduchý stabilizátor napätia Stabilizátory napätia sú elektronické zariadenia, slúžiace k stabilizácii napätia. Najčastejšie sa používajú v napájacích zdrojoch k stabilizácii zvlneného napätia za kapacitným filtrom usmerňovača. Vstupom zväčša býva zdroj jednosmerného zvlneného napätia, napríklad dvojcestný mostíkový usmerňovač s kapacitným filtrom. 2 Polovodič je vysokodotovaný, čo má za následok vznik veľmi tenkej oblasti priestorového náboja a pomerne vysokého difúzneho napätia. Lubica.Stuchlikova@stuba.sk 5
apojenie jednoduchého stabilizátora napätia spočíva na princípe napäťového deliča pozostávajúceho s predradného odporu a stabilizačnej diódy. Schéma jednoduchého stabilizátora je znázornená na obr. 4.1. V sérii so zdrojom napätia je zapojený odpor a paralelne k záťaži stabilizačná dióda D. Princíp stabilizácie spočíva v zaradení nelineárnej stabilizačnej diódy do napäťového deliča obr.4.5. Napätie na vstupe stabilizátora vtláča prúd do stabilizátora. Prúd vyvolá úbytok napätia na odpore a rozdelí sa na prúd do stabilizačnej diódy D a do záťaže L. Výstupné napätie O zodpovedá vstupnému napätiu zníženému o úbytok napätia na odpore. k sa zvýši vstupné napätie, zvýši sa aj prúd tečúci do vstupu o. Snahou odporového deliča L je zvýšiť priamoúmerne aj výstupné napätie. Nelinearita D pripojenej paralelne k záťaži spôsobuje, že už pri malých zvýšeniach napätia na výstupe dochádza k rýchlemu nárastu prúdu cez stabilizačnú diódu D a tým aj cez zaťažovací odpor L. Nárast prúdu na predradenom odpore spôsobuje zvýšenie úbytku napätia a tým k tlmeniu napäťových zmien vstupného napätia na výstupe. Obr. 4.5. Schéma zapojenia jednoduchého stabilizátora napätia so stabilizačnou diódou - princíp činnosti. D L O Činnosť jednoduchého stabilizátora bez záťaže možno ilustrovať na obr. 4.6. Obrázok znázorňuje grafické riešenie jednoduchého stabilizátora. ákladom je VCH nelineárneho prvku - stabilizačnej diódy v závernom smere. Do grafu je zakreslená VCH predradného odporu tak, že vytína hodnotu vstupného napätia na napäťovej osi a hodnotu maximálneho prúdu odporom pri vstupnom napätí na odpore podľa Ohmovho zákona ( /) na prúdovej osi. Súčet napätí na dióde a odpore dáva vstupné napätie. Výstupné napätie je dané priesečníkom zaťažovacej priamky a volt - ampérovej charakteristiky. Pri zvýšení vstupného napätia o dôjde k posuvu odporovej priamky, pričom jej sklon ostáva zachovaný nakoľko sa hodnota odporu nemení. menou vstupného napätia dôjde aj k zmene polohy priesečníku odporovej priamky s volt - ampérovou charakteristikou diódy. V dôsledku strmosti volt - ampérovej charakteristiky diódy, zmena výstupného napätia O bude podstatne menšia ako zmena vstupného. Kvalitu stabilizácie môžeme kvantifikovať činiteľom stabilizácie v relatívnom tvare k st O O Činiteľ stabilizácie vyjadruje podiel relatívnych zmien na vstupe stabilizátora k relatívnym zmenám na výstupe. Prakticky je vhodnejší stabilizátor s vyšším činiteľom. Typické hodnoty činiteľa stabilizácie pri jednoduchých stabilizátoroch pohybujú medzi 10 až 100. 1 1 F 2 2 F Obr. 4.5. Grafické riešenie jednoduchého stabilizátora napätia. p b p Lubica.Stuchlikova@stuba.sk 6