Báo Cáo Bài Tập Lớn Diode Zener Vẽ Đường Đặc Tính V-A Theo Cả Hai Chiều Thuận Và Nghịch Sử Dụng Diode Zener 1N4742A.pdf

Sơ đồ khối mạch đo Diode Zener .... Điện áp này còn gọi là điện áp Zener hay thác lở avalanche.. Khi đó giá trị điện áp ít thay đổi... Khi Cathode trở nên tích cực hơn Anode, điện áp đạ

1 Lê Đức Đăng 20196331

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ

KHOA T Ự ĐỘ NG HÓA

BÁO CÁO BÀI T P L N Ậ Ớ

DIODE ZENER VẼ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH V-A

THEO C HAI CHI U THU N VÀ NGH Ả Ề Ậ ỊCH

S D NG DIODE ZENER 1N4742A Ử Ụ

GV hướ ng dẫn: ThS.Đào Đứ c Thịnh

Sinh viên thự c hi n Nhóm 4: ệ

Hà N ội, ngày 26 tháng 2 năm 2023

MỤC L C Ụ

1 Diode Zener 1N4742A 3

1.1 Diode Zener là gì? 3

1.2 Diode zener 1N4742A 4

2 Sơ đồ khối mạch đo Diode Zener 5

3 Nguồn đầu vào 5

4 Khối phát xung răng cưa 6

5 Kh i hi n th ố ể ị đường đặc tính 7

6 Mạch đo Diode Zener 1N4742A 9

7 K t lu n 13ế ậ

BÁO CÁO

1 Diode Zener 1N4742A

1.1 Diode Zener là gì?

Diode Zener (Zener diode) còn g i là diode n áp, là m t loọ ổ ộ ại điốt bán d n làm viẫ ệc ở chế

độ phân cực ngược trên vùng điện áp đánh thủng (breakdown) Điện áp này còn gọi là điện áp Zener hay thác lở (avalanche) Khi đó giá trị điện áp ít thay đổi Nó được ch t o sao cho khi ế ạ phân cực ngược thì điốt Zener s ghim m t mẽ ộ ức điện áp g n c ầ ố định b ng giá tr ghi trên diode, ằ ị làm n áp cho mổ ạch điện

Do tính ch t dấ ẫn điện m t chiộ ều nên Diode thường được s d ng trong các m ch chử ụ ạ ỉnh lưu ngu n xoay chi u thành m t chi u, các m ch tách sóng, m ch gim áp phân c c cho transistor ồ ề ộ ề ạ ạ ự

hoạt động Trong m ch chạ ỉnh lưu Diode có thể được tích h p thành Diode c u ợ ầ

* C u t o c a Diode Zener: ấ ạ ủ

Dòng điốt này có hai lớp bán dẫn P – N ghép với nhau, Diode Zener được ứng dụng trong chế độ phân c c ự ngược Khi phân c c thuự ận Diode zener như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode zener s ghim l i m t mẽ ạ ộ ức điện áp c ố định b ng giá tr ghi trên diode ằ ị Ở đây, chất nền N và P được khuếch tán với nhau Vùng tiếp giáp được phủ m t lớp silicon dioxide ộ (SiO2) Đồng th i trong quá trình thi t k , toàn b t hờ ế ế ộ ổ ợp được m kim loạ ại để ạ t o ra k t nế ối

cực dương và cực âm L p ớ SiO2 giúp ngăn ngừa s nhi m b n c a các m i n i Vì vự ễ ẩ ủ ố ố ậy, được

sử d ng trong vi c thi t k diode zener ụ ệ ế ế

Hình 1 Đặc tính c a Diode Zen ủ er

Hình 2 C u t o c a diode zener ấ ạ ủ

Tuy nhiên, không giống diode thông thường chặn dòng điện đi qua chính nó khi bị phân cực ngược Khi Cathode trở nên tích cực hơn Anode, điện áp đạ ới giá trị nào đó, diode zener sẽ t t

hoạt động ngượ ại.c l

Điều này là do khi điện áp ngược vượt quá điện áp định m c c a thi t b M t quá trình gứ ủ ế ị ộ ọi

là S cự ố Avalanche x y ra trong l p suy gi m ch t bán d n và mả ớ ả ấ ẫ ột dòng điện bắt đầu ch y qua ạ diode để hạn chế tăng áp

Dòng điện chạy qua diode zener tăng đến giá tr cị ực đại (thường b gi i h n bị ớ ạ ởi điện tr nở ối tiếp) và một khi đạt được, nó vẫn hoạt động ổn định trong phạm vi điện áp ngược Khi điện áp tại diode zener tr nên ở ổn định được gọi là điện áp zener điện tử, (Vz) và đố ới điối v t zener, điện áp này có th ểdao động từ dưới 1-volt đến vài trăm volt

Điểm tại đó điện áp zener cho dòng điện chạy qua diode có th được điều khi n r t chính ể ể ấ xác (dung sai dưới 1%) trong giai đoạn pha tạp của cấu trúc bán dẫn điốt tạo cho diode một điện áp đánh thủng zener cụ thể, (Vz) cho ví dụ: 4.3V hoặc 7.5V Điện áp đánh thủng zener trên đường cong IV gần như là một đường thẳng đứng

1.2 Diode zener 1N4742A

* Thông s k thu ố ỹ ật:

Công su t max ấ 1𝑊

Trở kháng ZZT 9 𝑂ℎ𝑚𝑠

Nhiệt độ hoạt động −55°C~175°C

Dung sai điện áp ±5%

2 Sơ đồ khối m ạch đo Diode Zener

Hình 4 Sơ đồ khối mạch đo Diode Zener 1N4742A

3 Ngu ồn đầ u vào

Trong bài t p này, nhóm 4 quyậ ết định s d ng ngu n m t chi u cho thí nghiử ụ ồ ộ ề ệm OWON SP3051

* Thông s k thu ố ỹ ật:

0 − 5A Công suất đầu ra 150W

Màn hình Màn hình LCD màu 3,7 inch

Hình 3 Hình nh Diode Zener 1N474ả

Hình 5 Ngu n m t chi u OWON SP30ồ ộ ề

* Thông s : ố đo

Dòng điện 5A Điều chỉnh t i ả Điện áp ≤ 30mV

Dòng điện ≤ 50mA

Độ phân gi i line ả Điện áp ≤ 10mA

Dòng điện ≤ 20mA

Độ phân giải cài đặt Điện áp 10mV

Dòng điện 10mA

Độ phân giải đọc lại Điện áp 10mV

Dòng điện 10mA

Độ chính xác cài đặt (trong vòng 12

tháng) (25 ℃ ± 5 ℃)

Điện áp ≤ 0.3% + 10mV Dòng điện 30 3% + 20mA

Độ chính xác đọc lại （25oC ± 5oC) Điện áp ≤ 0,3% + 10mV

Dòng điện ≤ 0,3% + 20mA

Điều chỉnh t i ả Điện áp ≤ 30mV

Dòng điện ≤ 50mA

4 Khối phát xung răng cưa

Trong bài t p này, nhóm 4 quyậ ết định s d ng máy phát xung ử ụ OWON AG4121

Hình 6 Máy phát xung răng cưa

* Thông s k thu ố ỹ ật:

Tốc độ ấ l y m u: ẫ 400MS/s

Độ phân gi i: ả 14 bits

Các d ng xung ạ Sine, Square, Pulse, Ramp, and Noise

Độ phân gi i ả

- Sóng Sine 1μHz 1μHz - 100MHz

- Sóng Square

- Sóng Pulse

- Ramp

- Noise

- Arbitrary Waveform

1μHz - 50MHz 1μHz - 25MHz 1μHz - 1MHz 50MHz (-3dB) (typical) 1μHz - 10MHz

Điều ch xung ế AM, FM, PM, FSK, Sweep, and Burst

Điều ch t n s ế ầ ố 2mHz to 20.00KHz (FSK 2mHz - 100KHz

Màn hình 4-inch (480 × 320 pixels) TFT LCD

Giao ti p ế USB host, USB device, LAN, RS232 (optiona

Phụ ệ ki n Dây ngu nồ , CD Rom, HDSD, Cáp USB, Dây đo

* Cách s dử ụng để phát xung răng cưa:

B1: Ấn nút để chọn ch xung tam giác ế độ

B2: Để cài đặt giá trị biên độ ấn F1, (sau đó ấn F1~F3 để, chọn đơn vị, F4 để tiếp tục, F5 để quay lại), điều ch nh giá tr b ng các nút v n, phím sỉ ị ằ ặ ố, mũi tên

B3: Tương tự ới điề v u chỉnh giá trị của tần số và dòng offset (tần số là ấn F2, dòng offset là

ấn F3)

B4: Ấn nút F4 để điều chỉnh Symmetry (để phát răng cưa chỉnh Symmetry 100%)

5 Kh i hi n th ố ể ị đường đặc tính

Trong bài t p này, nhóm 4 quyậ ết định s d ng máy hi n sóng ử ụ ệ TBS1002B

Image

1 Multipurpose knob for waveform navigation, zoom, and cursors

2 Save Recall

3 HelpEverywhere®

4 Probe Compensation

5 Dedicated control knobs per channel

6 BNC probe interface

7 USB Host port for save/recall

8 7-inch display

Hình 7 Máy hi n sóng TBS1002B Series ệ

Image

1 IEC power connector

2 USB device port for remote control

3 Kensington Lock

* Thông s k thu t cố ỹ ậ ủa máy đo hiện sóng TBS1002B:

Giới hạn băng thông 100 MHz

Tốc độ ấ l y m u ẫ 2 GS / s

Kích thước 58,0 mm x 326,3 mm x 124,2 mm

Nguồn điện 100 đến 240 V ±10%, 50/60 Hz

Trục tung

Giới hạn băng thông 20 MHz

Trở kháng đầu vào 1 tri u ệ

Độ phân gi i ả 8 bit

Điện áp đầu vào tối đa 300 VRMS CAT II

Kho ng offset ả 2 mV / div ~ 5V / div

Trục Hoành

Phạm vi thời gian 2,5 ns đến 50 giây / div

Độ chính xác ± 50 ppm

Máy kích ho tạ

Chế độ T ự động, Bình thường và Đơn

Ngu n trigger ồ

CH1, CH2, CH3, CH4, Ext, Ext / 5 Dòng AC

Loại ngu n ồ Cạnh, PWM, Video

Đếm t n s ầ ố

Độ phân gi i ả 6 s ố

Độ chính xác 51 ph n tri u ầ ệ

6 Mạch đo Diode Zener 1N4742A

* Thông s c a Diode zener 1N4742A ố ủ

- V i dòng Iớ F = 200mA thì điện áp thuận V max = 1.2V F

- V i dòng I -21mA thì V -12V (-12.6V ~ -11.4V) ớ Z= Z=

- Với điện áp ngược V -9.1V thì dòng I R= Rmax = 5 (μA)

* Cài đặt thông số đầu vào cho máy phát xung

- Cài đặt biên độ xung: 15V

- T n s : 50Hz ầ ố

- Điện áp DC offset: 0mV

- Điều ch nh Symmetry: 100% ỉ

* Mạch đo

Hình 8 Mạch đo Diode Zener 1N4742A

Sử dụng điện trở R3 để ạn dòng khi đi qua diode zener tránh dòng có cường độ ớ trực h l n tiếp đi qua diode sẽ gây hư hỏng cho diode, điện trở Shunt RS để đo cường độ dòng điện đi qua diode b ng áp hi n th trên máy hi n sóng ằ ệ ị ệ

- Khi Diode zener phân c c thu n ự ậ Vin > VF, ta có mạch tương đương:

Hình 9 Mạch tương đương khi V in>VF Dòng điện qua diode được tính là: I =Vin−VF

R3+RS Theo thông s t datasheet: Iố ừ F = 1A thì điện áp thu n Vậ F, max = 1.2V

=> L a ch n ự ọ R3 + RS ≥Vin−VF,max

IF = 15−1.2

200 10 −3= 69 (Ω)

- Khi Diode zener phân cực ngược VZ < Vin < VF, ta có mạch tương đương:

Hình 10 Mạch tương đương khi V < V < VZ in F Dòng điện qua diode lúc này là: I ≈ 0(A)

- Khi Diode zener phân cực ngược V < V , ta có min Z ạch tương đương:

Hình 11 Mạch tương đương khi V < Vin Z Dòng điệ qua diode đượn c tính là: I =Vin −V Z

R3+RS Theo thông s t datasheet: ố ừ IZ = 21mA thì VZ

= −12V (−11 4V ~ −12 6V )

=> L a ch n ự ọ R3 + RS ≥ Vin −V Z

I Z = − +15 12

−21 10 −3≈ 143(Ω)

- Điện áp V và V X Yđược lấy cho đầu vào 2 kênh c a oscilloscope v i Vủ ớ Y thể hiện cường

độ dòng điện qua Diode zener, VX th hiể ện điện áp hai đầu Diode zener nhưng theo mạch

đo VX = V + V = VD RS D+ I x RS Do đó, cần chọn RS sao cho VRS ≪ VD để không nh ả hưởng quá lớn tới k t qu ế ảđo được

Chọn RS = 0 (Ω) = (mΩ)01 10 , ta thấy:

IF × RS = 0.002 ( ) 0.V 002 VF,max Ivà Z × RS = 0.00021 (V) ≪ VZ

=> Có th ể chấp nhận được

- T ừ các điều kiện tính toán được, chọn R3 = 150 (Ω)

Lúc này, dòng điện qua Diode zener là:

+ Khi Vin > VF, Imax = 150+0.0115−1.2 ≈ 0.092 (A)

+ Khi Vin < VZ, Imin = − +15 12

150+0.01≈ −0.02 (A)

=> Công su t tiêu tán trên các t i lấ ả ần lượt là:

PR3,max= 0.0922× 150 = 1.2696 (W) => chọn PR3,đm= 2 (W)

PRS,max = 0.0922× 0.01 = 0.00008464 (W) => chọn PRS,đm= 1 (W)

- V i các giá trớ ị điện trở đã chọn ta tính được:

VX (V) VY (mV)

Giá tr nh nh t ị ỏ ấ −12.6~ − 11.4 −0.2

Vì oscilloscope TBS1102 có độ chia nh nh t là ỏ ấ 2mV/div nên n u cho tr c ti p ế ự ế VY vào máy hi n sóng s không th ệ ẽ ể quan sát được Vì v y, c n cho ậ ầ VY qua m t kh i khuộ ố ếch đại, để

khếch đại dòng điện lên 10 lần để cho khi vào máy hi n sóng thì có th ệ ể quan sát được Thi t k m t kh i khuế ế ộ ố ếch đại 10 l n cho ầ VY:

Hình 12 M ch khuạ ếch đại 10 l n s d ng Opamp LM741 ầ ử ụ

Ta s d ng m ch khuử ụ ạ ếch đại không đảo s d ng Opamp LM741 v i h s khuử ụ ớ ệ ố ếch đại là:

K = 1 + RV1 + R2R1 = 10

=> Ch n R1 ọ = 10 kΩ => chọn R2 = 82 kΩ, biến trở RV1 = 10kΩ, điều ch nh bi n tr RV1 ỉ ế ở sao cho h s khuệ ố ếch đại K = 10

Chọn ngu n c p cho Opamp LM741 sử d ng b nguồ ấ ụ ộ ồn đa năng OWON P3051, điều chỉnh điện áp đến 20V, nối đầu điện áp dương vào chân số 7, nối đầu điện áp âm vào chân

số 4

Sau khi qua kh i khuố ếch đại, ta thu được:

Ta tiến hành đo 2 đầu V và X V′Y vào oscilloscope

- Điều ch nh ỉ oscilloscope để có th ể quan sát được đường đặc tính:

+ Cài đặt chế độ X-Y

+ T i chạ ế độ X-Y có 100 ô, m i góc phỗ ần tư có 25 ô (5 ô chiều d c và 5 ô chi u ngang), ọ ề

v i V n i vào kênh CH1 là tr c X, ớ X ố ụ ′V n i vào kênh CH2 n i vào kênh CH2 là tr c Y Yố ố ụ + Điều chỉnh độ phân giả ủi c a kênh CH1, với giá trị đầu vào VX thì độ chia lớn nh t là ấ 12.6

5 = 2.52 (V/div)=> điều chỉnh độ chia đến 3 (V/div)

+ Điều chỉnh độ phân giả ủi c a kênh CH2, với giá trị đầu vào V′ thì độ chia lớn nhất là Y 9.2

5= 1.84 (mV/div) => điều chỉnh độ chia đến 2 (mV/div)

Hình 13 Oscilloscope ở chế độ X-Y

7 K t lu n ế ậ

Mạch đo có thể sử dụng để đo các diode zener khác, tùy vào từng loại diode zener mà điều chỉnh điện trở R3 sao cho phù hợp

Tuy nhiên, mạch chưa có bảo v quá dòng nên c n thệ ẩ ận trong việc điều ch nh nguỉ ồn đầu vào

và l a chự ọn điện tr ở