RIEDL 3.EB – 9 – 1/11
1.ZADÁNÍ a) Změřte voltampérovou charakteristiku zenerovy diody v propustném i závěrném směru. Charakteristiky znázorněte graficky. b) Vypočtěte a graficky znázorněte statický odpor diody v pracovním směru. c) Vypočtěte a graficky znázorněte dynamický odpor diody v pracovním směru. d) Výsledky měření srovnejte s katalogovými hodnotami
2.POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Měřeným předmětem je v tomto případě zenerova dioda její hodnoty jsou uvedeny v tabulce: Označení UZ (V) KZ 260/5V1 4,8-5,4 UZ – zenerovo napětí IZ – maximální proud v pracovním směru
IZ (mA) 100
3.TEORETICKÝ ROZBOR 3.1 ROZBOR PŘEDPOKLÁDANÝCH VLASTNOSTÍ MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU Zenerova dioda je polovodičová součástka. Na rozdíl od usměrňovací diody má zenerova dioda pracovní oblast v závěrném směru. V propustném směru má zenerova dioda voltampérovou charakteristiku stejnou jako usměrňovací dioda. Otevření zenerovy diody v propustném směru záleží na materiálu z jakého je dioda vyrobena. Zenerova dioda má však na rozdíl od usměrňovací diody pracovní oblast v závěrném směru. Kdy u diody dochází k tzv. Zenerovu jevu: Díky tenkému přechodu PN, vzniká při působení napětí v závěrném směru ve vyprázdněné oblasti zenerovy diody tak velká intenzita elektrostatického pole, že dochází k vytrhání elektronů z vazeb krystalové mřížky. Počet minoritních nosičů náboje velmi vzroste, což se projevuje růstem proudu v závěrném směru zenerovy diody při téměř konstantním napětí. Při tom se odpor diody velmi rychle zmenší až na několik ohmů. Dochází tedy k nedestruktivnímu průrazu. Při překročení maximálního zenerova proudu dochází ke zničení zenerovy diody. U zenerových diod se udává tzv. Zenerovo napětí, toto napětí nám určuje při jakém napětí se zenerova dioda v pracovním směru otevře. Velikost napětí, při kterém se dioda otevře, závisí na velikosti přechodu PN. Zeneruv jev se projevuje jen u tenkých přechodů začíná působit při asi 3V. V důsledku zvětšování šířky přechodu při napětí asi 6V postupně Zeneruv jev mizí a je plynule vystřídán jevem lavinovým. Lavinový jev vzniká u širokých přechodů PN a znamená to, že díky širokému přechodu letící elektron narazí do dalšího elektronu a vyrazí ho z pevné vazby, oba tyto elektrony jsou urychlovány a narážejí a uvolňují do dalších elektronů, které pak uvolňují další elektrony. Četnost těchto elektronů tedy exponenciálně roste. Nastane tak
RIEDL 3.EB – 9 – 2/11
lavinová ionizace v oblasti přechodu, projevující se podobnými vlastnostmi jako Zeneruv jev. Oba tyto jevy jsou nedestruktivní. Kdyby však proud procházející diodou překonal zeneruv proud došlo by ke zničení diody. 3.2 ROZBOR MĚŘÍCÍ METODY Voltampérovou charakteristiku zenerovy diody měříme voltmetrem a ampérmetrem. Voltmetr a ampérmetr zapojíme do zapojení pro měření odporů ohmovou metodou. Tato metoda má dvě různá zapojení. Jsou to zapojení pro malé odpory a zapojení pro velké odpory. Pro měření voltampérové charakteristiky zenerovy diody v propustném směru použijeme zapojení pro měření malých odporů a stejné zapojení použijeme i pro měření voltampérové charakteristiky pracovního směru zenerovy diody. Toto zapojení volíme s ohledem na chybu metody, která vzniká zapojením přístrojů. Vzhledem k tomu, že při měření voltampérové charakteristiky zenerovy diody v propustném i pracovním směru bude odpor zenerovy diody velmi malý a poteče tak obvodem velký proud musíme zapojit do obvodu ochranný rezistor, abychom nezničili měřenou zenerovu diodu. Důležité je také před začátkem měření zjistit mezní hodnoty měřené zenerovy diody a při měření je nepřekročit, protože jejich překročení by znamenalo zničení diody. Pro měření voltampérové charakteristiky zenerovy diody použijeme zapojení pro malé odpory pro oba směry zapojení zenerovy diody. Toto zapojení použijeme, protože zenerova dioda má v propustném i pracovním směru po otevření velmi malý odpor. Kdybychom použili zapojení pro měření velkých odporů měřili bychom součet napětí na ampérmetru a napětí na zenerově diodě. Díky tomu, že otevřená zenerova dioda má velmi malý odpor srovnatelný s vnitřním odporem ampérmetru, docházelo by k velké chybě měřící metody. Při zapojení pro měření malých odporů zapojíme ampérmetr sériově k paralelní kombinaci voltmetru a zenerovy diody. To znamená, že voltmetrem měříme úbytek napětí pouze na zenerově diodě. Ampérmetrem však měříme součet proudu, který protéká zenerovou diodou, a proudu, který protéká voltmetrem. Proto je nutné provést korekci změřeného proudu podle vztahu:
IK
I U RV
kde IK je korigovaný proud, I proud protékající ampérmetrem, U napětí změřené voltmetrem a RV je vnitřní odpor voltmetru. Tato chyba metody je největší dokud se zenerova dioda neotevře. Po otevření diody je odpor zenerovy diody tak malý, že chyba metody je zcela zanedbatelná.
RIEDL 3.EB – 9 – 3/11
4.SCHEMA ZAPOJENÍ Schéma č.1 Zapojení pro měření voltampérové zenerovy diody v propustném směru
charakteristiky
R0
A U
V
ZD
Schéma č.2 Zapojení pro měření voltampérové zenerovy diody v pracovním směru
charakteristiky
R0
A U
V
ZD
U – regulovatelný zdroj A – ampérmetr V – voltmetr ZD – zenerova diody R0 – ochranný odpor
5.POSTUP MĚŘENÍ a) b) c) d) e)
Z katalogu zjistěte mezní hodnoty napětí a proudu zenerovy diody Zapojte přístroje podle schématu č.1 Na ampérmetru zvolte požadovaný měřící rozsah Na voltmetru zvolte požadovaný měřící rozsah Regulovatelným zdrojem nastavte požadované napětí. Napětí nastavujte po takových krocích, aby byla voltampérová charakteristika dostatečně popsána f) Přečtěte hodnotu z voltmetru a zapište ji do tabulky g) Přečtěte hodnotu z ampérmetru a zapište ji do tabulky
RIEDL 3.EB – 9 – 4/11
h) Opakujte tento postup pro další hodnotu napětí od bodu c). Pokud jste již naměřili všechny požadované hodnoty napětí a proudů nebo jste dosáhli stanovené hodnoty proudu pokračujte následujícím bodem. i) Zapojte přístroje podle schématu č.2 j) Na ampérmetru zvolte požadovaný měřící rozsah k) Na voltmetru zvolte požadovaný měřící rozsah l) Regulovatelným zdrojem nastavte požadované napětí. Napětí nastavujte po takových krocích, aby byla voltampérová charakteristika dostatečně popsána m) Přečtěte hodnotu z voltmetru a zapište ji do tabulky n) Přečtěte hodnotu z ampérmetru a zapište ji do tabulky o) Opakujte tento postup pro další hodnotu napětí od bodu j). Pokud jste již nezměřili všechny požadované hodnoty napětí a proudů nebo jste dosáhli maximální stanovené hodnoty proudu.
6. TABULKY NAMĚŘENÝCH A VYPOČTENÝCH HODNOT Tabulka č.1 Zenerova dioda KZ260/5V1 zapojena v propustném směru U (V) 0,1 I (mA) 0 IK (mA) 0 U (V) 0,61 I (mA) 0,503 IK (mA) 0,503 U (V) 0,69 I (mA) 4,1 IK (mA) 4,1 U (V) 0,77 I (mA) 22 IK (mA) 22
0,2 0 0 0,62 0,673 0,673 0,7 4,8 4,8 0,78 27,5 27,5
0,3 0 0 0,63 0,744 0,744 0,71 6,8 6,8 0,79 32,7 32,7
0,4 0,002 0,002 0,64 1,12 1,12 0,72 7,4 7,4 0,8 39 39
0,45 0,008 0,008 0,65 1,284 1,284 0,73 10,8 10,8 0,81 45,7 45,7
0,5 0,023 0,023 0,66 1,92 1,92 0,74 11,9 11,9 0,82 54,9 54,9
0,55 0,094 0,094 0,67 2,169 2,169 0,75 14,6 14,6 0,83 63,7 63,7
0,6 0,312 0,312 0,68 3,211 3,211 0,76 18,3 18,3 0,84 73,6 73,6
Tabulka č.2 Zenerova dioda KZ260/5V1 zapojena v pracovním směru U (V) I (mA) IK (mA) RS (kΩ) RD (kΩ) U (V) I (mA) IK (mA) RS (kΩ) RD (kΩ)
-0,5 0 0 ∞ ∞ -2,9 -0,143 -0,143 20,28 28,43
-1 -1,5 -2 0 0 -0,003 0 0 -0,003 ∞ ∞ 666,7 ∞ 500 52,63 -3 -3,1 -3,2 -0,210 -0,277 -0,361 -0,210 -0,277 -0,361 14,29 11,19 8,86 22,38 20,53 15,61
-2,5 -0,038 -0,038 65,79 40,98 -3,3 -0,482 -0,482 6,84 11,53
-2,6 -0,64 -0,64 40,63 65 -3,4 -647 -647 2,26 8,54
-2,7 -0,78 -0,78 34,62 61,36 -3,5 -0,88 -0,88 3,98 7,61
-2,8 -0,108 -0,108 25,93 43,08 -3,6 -1,107 -1,107 3,25 6,35
RIEDL 3.EB – 9 – 5/11
U (V) I (mA) IK (mA) RS (kΩ) RD (kΩ) U (V) I (mA) IK (mA) RS (kΩ) RD (kΩ) U (V) I (mA) IK (mA) RS (kΩ) RD (kΩ) U (V) I (mA) IK (mA) RS (kΩ) RD (kΩ) U (V) I (mA) IK (mA) RS (kΩ) RD (kΩ) U (V) I (mA) IK (mA) RS (kΩ) RD (kΩ)
-3,7 -1,447 -1,447 2,56 4,74 -4,32 -7,5 -7,5 0,576 4,8 -4,48 -12,4 -12,4 0,361 3,2 -4,64 -20,9 -20,9 0,222 1,55 -4,79 -39 -39 0,123 1,198 -4,87 -55,3 -55,3 0,088 0,87
-3,8 -3,9 -4 -1,887 -2,441 -3,192 -1,887 -2,441 -3,192 2,013 1,6 1,25 3,82 2,99 2,41 -4,34 -4,36 -4,38 -8,1 -8,6 -9,1 -8,1 -8,6 -9,1 0,536 0,507 0,481 3,95 4,36 4,38 -4,5 -4,52 -4,54 -13 -14 -14,9 -13 -14 -14,9 0,346 0,323 0,305 2,81 2,38 2,06 -4,66 -4,68 -4,7 -22,7 -24,7 -26,3 -22,7 -24,7 -26,3 0,205 0,189 0,178 1,22 1,3 1,044 -4,8 -4,81 -4,82 -40,5 -42,4 -43,6 -40,5 -42,4 -43,6 0,119 0,113 0,111 1,412 1,55 1,46 -4,88 -4,89 -4,9 -58,4 -60,5 -63,9 -58,4 -60,5 -63,9 0,084 0,081 0,077 0,938 0,889 0,653
-4,1 -4,1 -4,1 1 1,86 -4,4 -9,6 -9,6 0,458 3,67 -4,56 -16,2 -16,2 0,281 2,07 -4,72 -29,2 -29,2 0,162 1,049 -4,83 -45,7 -45,7 0,106 0,929 -4,91 -68 -68 0,072 0,733
U – změřené napětí I – změřený proud IK – korigovaný proud RS – statický odpor RD – dynamický odpor
7.VÝPOČTY Výpočet korigovaného proudu: IK
I
U RV
-4,2 -5,4 -5,4 0,778 2,1 -4,42 -10,3 -10,3 0,429 3,16 -4,58 -17,1 -17,1 0,268 2,29 -4,74 -30,8 -30,8 0,154 1,009 -4,84 -48,8 -48,8 0,099 0,968 -4,92 -70,6 -70,6 0,07 0,794
-4,25 -6,1 -6,1 0,697 2,36 -4,44 -11 -11 0,404 3,42 -4,6 -18,2 -18,2 0,253 1,77 -4,76 -33,9 -33,9 0,140 0,835 -4,85 -50,7 -50,7 0,096 1,213 -4,93 -74,2 -74,2 0,066 0,632
-4,3 -7,2 -7,2 0,597 3,07 -4,46 -11,6 -11,6 0,384 3,19 -4,62 -19,7 -19,7 0,235 1,71 -7,78 -36,5 -36,5 0,131 0,937 -4,86 -52,8 -52,8 0,092 1,057 -4,94 -78,4 -78,4 0,063 -----
RIEDL 3.EB – 9 – 6/11
například: IK
U RV
I
39
0,8 10 7
38,99999992mA
Výpočet statického odporu: U I
RS
například: U I
RS
( 4,89) ( 58,48 10 3 )
84
Výpočet dynamického odporu:
UN
RD
IN
1
IN
1
Například:
RD
UN IN
1
IN
1
( 4,89) ( 63,9 58,4)
889
8.GRAFY VIZ. PŘÍLOHA
9.SEZNAM MĚŘÍCÍCH PŘÍSTROJŮ Značka U V A R0 ZD
Název a typ přístroje Regulovatelný zdroj STATRON TYP 2229 Digitální voltmetr METEX ME-32 Digitální ampérmetr METEX ME-32 Ochranný rezistor Předložená zenerova dioda KZ260/5V1
Výrobní číslo 0412026 EJ010563 EJ009958 -------------
RIEDL 3.EB – 9 – 7/11
10.ZÁVĚR Naším úkolem bylo změřit voltampérovou charakteristiku předložené zenerovy diody KZ260/5V1. Voltampérová charakteristika v propustném směru je stejná jako u usměrňovací diody to vyplývá z teoretického rozboru i z výsledného grafu voltampérové charakteristiky diody v propustném směru. V pracovním směru má tento typ zenerovy diody má v katalogu uvedeno zenerovo napětí 4,8-5,4V výsledky naměřených hodnot nám potvrdily, že dioda je při napětí 4,8V již plně otevřena, což odpovídá rozmezí uvedenému v katalogu. Chybu metody můžeme v tomto případě zanedbat vzhledem k vysokému vnitřnímu odporu voltmetru. Z teoretického rozboru také vyplývá, že odpor diody v pracovním směru při otevření velmi rychle klesá, toto nám potvrdili i vypočtené hodnoty jak statického tak i dynamického odporu.
RIEDL 3.EB – 9 – 8/11
VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA ZENEROVY DIODY KZ260/5V1 V PROPUSTNÉM SMĚRU 80 70 I (mA) 60 50 40 30 20 10 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8 U (V)
0,9
RIEDL 3.EB – 9 – 9/11
VOLTAMPÉROVÁ CHARAKTERISTIKA ZENEROVY DIODY KZ260/5V1 V PRACOVNÍM SMĚRU U (V) -6
-5
-4
-3
-2
-1
0 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90
I (mA)
RIEDL 3.EB – 9 – 10/11
ZÁVYSLOST STATICKÉHO ODPORU NA NAPĚTÍ ZENEROVY DIODY KZ260/5V1 V PRACOVNÍM SMĚRU 800 700 RS (kΩ) 600
500 400 300 200 100 0 -6
-5 U (V)
-4
-3
-2
-1
0
RIEDL 3.EB – 9 – 11/11
ZÁVYSLOST DYNAMICKÉHO ODPORU NA NAPĚTÍ ZENEROVY DIODY KZ260/5V1 V PRACOVNÍM SMĚRU 600
500 RD (kΩ)
400
300
200
100
0 -6
-5 U (V)
-4
-3
-2
-1
0
