Měření voltampérové charakteristiky zenerovy diody

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