ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 4 Δίοδος Zener Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η μελέτη της διόδου Zener. Γίνεται μελέτη της χαρακτηριστικής της διόδου Zener σε ορθή και ανάστροφη πόλωση. Επίσης στόχος είναι να κατανοήσουν οι φοιτητές τη χρησιμότητα της διόδου Zener σε κατάσταση κατάρρευσης για εφαρμογές σταθεροποίησης τάσης. Εισαγωγή 1. H δίοδος Zener Κατά την ανάστροφη πόλωση της διόδου υπάρχει ένα πολύ μικρό ρεύμα που λέγεται ρεύμα ανάστροφης πόλωσης και οφείλεται σε φορείς μειονότητας. Αν η τάση αυξηθεί πάρα πολύ επέρχεται κατάρρευση της επαφής και δημιουργείται ένα μεγάλο ρεύμα και η δίοδος καταστρέφεται. Υπάρχουν ειδικές δίοδοι που είναι κατασκευασμένες ώστε να λειτουργούν στην περιοχή αυτή χωρίς να καταστρέφονται και βρίσκουν εφαρμογή σε πολλά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Οι δίοδοι αυτές ονομάζονται δίοδοι Zener και το σύμβολό τους φαίνεται στο Σχήμα 1. Α Κ Σχήμα 1: Το σύμβολο της διόδου Zener Η χαρακτηριστική της Zener μοιάζει με αυτή της απλής διόδου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Ωστόσο, ιδιαίτερη σημασία τώρα έχει η περιοχή ανάστροφης πόλωσης και ειδικά στην περιοχή κατάρρευσης. H κατάρρευση μπορεί να οφείλεται σε φαινόμενο Zener ή και φαινόμενο χιονοστιβάδας. Η τιμή της ανάστροφης τάσης στην οποία εμφανίζεται η κατάρρευση λέγεται τάση Zener V Z και εκεί αρχίζει απότομη αύξηση του ρεύματος. Μπορεί να θεωρηθεί ότι το ρεύμα αυξάνεται τόσο, ώστε η τάση στα άκρα της να διατηρείται σταθερή. Υπάρχει βέβαια μια μέγιστη τιμή ρεύματος I Zmax πέρα από την οποία η δίοδος καταστρέφεται. Η τιμή αυτή αντιστοιχεί σε μια μέγιστη τιμή της ισχύος P Zmax που δίδεται από τον κατασκευαστή. Ισχύει δε, ότι P Zmax = V Z I Zmax. Μετά την τάση κατάρρευσης, η χαρακτηριστική είναι κατά προσέγγιση μια ευθεία με κλίση ίση με 1 / r z, όπου r z είναι εσωτερική δυναμική αντίσταση της Zener. Συνεπώς, η r z υπολογίζεται από τη σχέση, 1
r z = ΔV Z / ΔΙ Ζ Έτσι ενώ αυξάνεται το ρεύμα, η τάση δεν παραμένει τελείως σταθερή αλλά αυξάνεται ελαφρώς, ακριβώς λόγω της εσωτερικής αντίστασης. Το ισοδύναμο κύκλωμα της Zener φαίνεται στο Σχήμα 3. I D V Z κλίση = 1/r Z V D I Zmax περιοχή σταθεροποίησης Σχήμα 2: Χαρακτηριστική διόδου Zener K r Ζ A V Ζ ανάστροφη πόλωση Σχήμα 3: Ισοδύναμο κύκλωμα Zener Η δίοδος Zener βρίσκει εφαρμογή σε κυκλώματα σταθεροποίησης όπως αυτό που φαίνεται στο Σχήμα 4. Η τάση εξόδου V O, στα άκρα του φορτίου R L, πρέπει να παραμένει σταθερή, ανεξάρτητα από τις μεταβολές του φορτίου αλλά και ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης εισόδου V S. Η λειτουργία βασίζεται στο γεγονός ότι η Zener κρατά την τάση στα άκρα της σταθερή, κοντά στην τάση κατάρρευσης V Z απορροφώντας όσο ρεύμα χρειάζεται σύμφωνα με τη χαρακτηριστική της όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Το κύκλωμα αυτό λειτουργεί ως σταθεροποιητής υπό την προϋπόθεση ότι η Zener λειτουργεί στην περιοχή κατάρρευσης. Η τάση V S πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση V Z έτσι ώστε να είναι ικανή να φέρει την Zener υπό κατάρρευση. Τότε ισχύει η σχέση, V S = R π I S + V Z Τροφοδοτική διάταξη + R π V S I S I Z V Z I L - - + Vo R L Σχήμα 4: Κύκλωμα σταθεροποίησης με Zener 2
H Rπ είναι προστατευτική αντίσταση κατάλληλα υπολογισμένη και προστατεύει την Zener από την μεγάλη αύξηση του ρεύματος. Το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει την Zener I Zmax προκύπτει όταν δεν υπάρχει φορτίο στην έξοδο. Ο κατασκευαστής της Zener συνήθως δίνει τη μέγιστη ισχύ P Zmax που μπορεί να καταναλωθεί πάνω της και από την οποία μπορεί να προκύψει το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα I Zmax = P Zmax / V Z. Από την ανάλυση του κυκλώματος σύμφωνα με τον κανόνα του Kirchhoff για τις τάσεις και θεωρώντας ότι η πηγή Vs έχει μηδενική αντίσταση εξόδου, προκύπτει ότι η προστατευτική αντίσταση πρέπει να έχει ελάχιστη τιμή ίση με R π = ( V S - V Z) / I Zmax 2. Σταθεροποίηση της τάσης Vo με μεταβολή του φορτίου. Το ρεύμα φορτίου μπορεί να μεταβάλλεται σημαντικά και αυτό μπορεί να οδηγήσει τη Zener εκτός λειτουργίας. Για τα ρεύματα ισχύει I S = I Z + I L Το συνολικό ρεύμα Is περιορίζεται από την αντίσταση R π, έτσι ώστε, αν το ρεύμα φορτίου I L γίνει πολύ μικρό να μην περάσει μεγάλο ρεύμα I Ζ και καταστρέψει τη Zener. Η συνολική αντίσταση της τροφοδοτικής διάταξης, συμπεριλαμβανομένης της R π προκαλεί μεταβολή της τάσης εξόδου Vo (=V Z) σε σχέση με το φορτίο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. Η κλίση της ευθείας δίνει τη συνολική αντίσταση εξόδου της πηγής r s. r s = ΔV O / ΔI L V O ΔV S V S 0 ΔΙ L I L Σχήμα 5: Μεταβολή της τάσης εξόδου ως προς το φορτίο Προσοχή χρειάζεται όταν η αντίσταση R L γίνει πολύ μικρή. Τότε το ρεύμα Ι L μπορεί να γίνει πολύ μεγάλο και το I Z να μηδενιστεί, θέτοντας την Zener εκτός περιοχής κατάρρευσης. Η τάση τότε στα άκρα της είναι μικρότερη από τη V Z και σίγουρα μη σταθερή. 3. Σταθεροποίηση της τάσης Vo με μεταβολή της τάσης της πηγής. Η τάση εξόδου Vo πρέπει να παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από την τάση εισόδου V S της σταθεροποιητικής διάταξης. Θα πρέπει πάλι η τάση στα άκρα της Zener να μην γίνει μικρότερη από την τάση κατάρρευσης. Για το λόγο αυτό πρέπει η τάση V S να είναι 3
μεγαλύτερη από τη V Z και να έχει τέτοια τιμή ώστε να εξασφαλίζεται ότι η Zener δεν φεύγει από την περιοχή κατάρρευσης για την περιοχή ρεύματος φορτίου που μας ενδιαφέρει. Επίσης, η V S δεν μπορεί να γίνει υπερβολικά μεγάλη για να μην οδηγήσει την Zener σε ρεύμα μεγαλύτερο από το μέγιστο επιτρεπόμενο Ι Zmax και την καταστρέψει. Ο συντελεστής σταθεροποίησης S ορίζει την μεταβολή της τάσης εξόδου ως προς τη μεταβολή της τάσης εισόδου S = ΔV Z / ΔV S Ο συντελεστής σταθεροποίησης πρέπει να είναι όσο το δυνατό μικρότερος. 4
ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 4 Δίοδος Zener ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../ 20.. 5
Πρακτική Άσκηση 1) Σύνδεση του κυκλώματος Παρατηρείστε και αναγνωρίστε το κύκλωμα της άσκησης, τους τύπους και τα χαρακτηριστικά των εξαρτημάτων καθώς και τα όργανα που θα χρησιμοποιήσετε. + 0 20 Vdc - V V S Rπ 100 Ω I Z Κ Α Α V V Z A I L R1 330 Ω R2 680 Ω R3 1 ΚΩ R4 10 ΚΩ 2) Λήψη μετρήσεων για την χαρακτηριστική Τροφοδοτείστε το κύκλωμα με τάση από ένα τροφοδοτικό που να δίνει τάση Vs από 0 έως 20V dc. Παρατηρείστε ότι η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη. Τοποθετείστε τα απαραίτητα όργανα μέτρησης στα σημεία που υποδεικνύονται στο κύκλωμα. Την μέτρηση V S θα την παίρνετε κατευθείαν από την ένδειξη του τροφοδοτικού PS-305. Σε αυτό το βήμα δεν θα χρησιμοποιήσετε τα φορτία R 1, R 2, R 3, R 4. Μεταβάλλοντας την τάση τροφοδοσίας όπως φαίνεται στο παρακάτω πίνακα μετρήστε και γράψτε τις τιμές των I Z και V Z. V S (V) 0 2 4 6 8 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 V Z (V) I Z (ma) 3) Χάραξη χαρακτηριστικής Με τις τιμές του παραπάνω πίνακα να σχεδιάστε την χαρακτηριστική καμπύλη της διόδου Zener. Ποια είναι η τιμή της V Z όπου αρχίζει η σταθεροποίηση; V Z = 6
I Z (ma) 0 V Z (V) Γράφημα 1: Χαρακτηριστική Zener 4) Υπολογισμός εσωτερικής αντίστασης Από τη χαρακτηριστική υπολογίστε την δυναμική αντίσταση της διόδου. Η αντίσταση αυτή πρέπει να είναι μεγάλη ή μικρή και γιατί; 5) Σταθεροποίηση στις μεταβολές φορτίου 7
Ρυθμίστε το τροφοδοτικό ώστε να δίνει 17 Vdc στο κύκλωμα της διόδου. Συνδέστε κάθε φορά διαφορετική αντίσταση από τις R 1, R 2, R 3, R 4 ώστε να δίνουν διαφορετικό φορτίο και μετρείστε τις τιμές V Ζ, I Ζ και I L. R 1 R 2 R 3 R 4 V Ζ (V) I Ζ (ma) I L (ma) Μελετώντας τις τιμές του πίνακα να απαντήσετε στα ακόλουθα: α) Η τάση στα άκρα του φορτίου παραμένει σταθερή; β) Το I Ζ μεταβάλλεται και γιατί; γ) Το Ι L μεταβάλλεται και γιατί; 6) Σταθεροποίηση στις μεταβολές της τάσης εισόδου Με σταθερό φορτίο (R 3) θα παρατηρήσετε πώς συμπεριφέρεται το κύκλωμα σταθεροποίησης στις μεταβολές της τάσης εισόδου V S. Μεταβάλετε την τάση V S από 12 V έως 18 V και συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα με τις τιμές που μετράτε για τις V Ζ, I Ζ και I L. V S (V) 12 13 14 15 16 17 18 19 20 V Ζ (V) I Ζ (ma) I L (ma) Μελετώντας τις τιμές του πίνακα να απαντήσετε στα ακόλουθα: α) Η τάση στα άκρα του φορτίου παραμένει σταθερή; β) Το I Z μεταβάλλεται και γιατί; γ) Το Ι L μεταβάλλεται και γιατί; δ) Ποια είναι η τιμή του συντελεστή σταθεροποίησης ( S = ΔV Z / ΔV S ); 8
9
10