DENEY NO: 3 DENEYİN ADI: Zener Diyot `i

DENEY NO: 3
DENEYİN ADI: Zener Diyot ‘i-v’ Karakteristiğinin Çıkarılması ve Zener Diyotla Gerilm
Regülasyonu
DENEYİN AMACI :
Zener diyotun ‘i-v’ karakteristiğini çıkarmak, zener diyotun gerilim regülatörü olarak kullanılışını
öğrenmek
Tablo 3.1. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler:
Adı
DC Güçkaynağı
Zener Diyot
Miliampermetre
Voltmetre
Ön Direnç
Yük Direnci
Özelliği
0-30V Gerilim Ayarlı
1N4736 6.8 V
0 – 250 mA
0 – 20V
¼ W, 1K, 2K
¼ W, 10K,……………….2,2K
Adeti
1
1
2
1
1
3
ÖN BİLGİ:
Zener diyot ters polarma altında çalışan ve sabit gerilim kaynağı olarak kullanılan silisyum
veya germanyumdan (büyük akım ve gerilimli diyotlar silisyumdan yapılmaktadır) yapılan bir diyot
elemanıdır. Zener diyotlar, normal diyotlardan farklı olarak; birleşme bölgesinde yapılan bazı
değişikler ve katkılamalar yapılarak elde edilmektedir. Normal diyotlar, ters polarma altında kırılma
geriliminden daha büyük gerilime maruz kaldıklarında veya ters yöndeki sızıntı akımı belli bir
değeri aştığında bozulurlar. Zener diyotlar ise ters yönde daha fazla akım altında bozulmadan
çalışabilirler. Zener diyot, içinden geçen eçen akımın değişmesine rağmen uçlarındaki gerilim sabit
kalacak şekilde tasarlanmıştır. Zener diyotun üzerinden geçen akım arttıkça direnci azalır
uçlarındaki gerilim yaklaşık olarak sabit kalır. Zener diyotlar, devresine seri bağlı bir öndirençle
birlikte kullanılırlar. Devrenin girişine uygulana gerilim değiştiği halde uçlarındaki gerilim sabit
kalır. Fark gerilim ön direnç üzerinde düşer. Bu özelliğiden dolayı zener diyotlar, sabit gerilimin
gerekli olduğu voltaj regülatörü ( sabit gerilim kaynağı ) uygulamalarında kullanılır. Şekil 3.1’de,
zener diyotun tipik ‘i-v’ karakteristik eğrileri verilmektedir. Normal diyotlar ile zener diyotun ileri
yön kutuplanmış bölgelerinin farklı olmadığına dikkat ediniz.
IF
ID
VZmax VZmin
VD
IZmax
Şekil 3.1. Zener diyot ‘i-v’karakteristiği
VF
Şekil 3.1’de görüldüğü gibi, zener diyotlarda da ileri ve ters yönde uçlarındaki gerilim bir
miktar artmaktadır ve bu artış doğrusaldır. Gerçekte, ileri ve ters yönde; üzerinden geçen akıma
bağlı olarak, statik dirençleri değiştiği halde, dinamik dirençleri sabit kalmaktadır. Pratikte veya
devre analizinde, aynı normal diyotlarda olduğu gibi, zenerin ters yöndeki dinamik veya ac direnci
ihmal edilerek, uçlarındaki gerilimin anma değerinde sabit kaldığı kabul edilir. Buna göre; devrenin
girişine uygulanan gerilim zener geriliminin altında olduğu sürece zener diyotttan akım geçmez,
yani diyot açık devre olur, çıkış gerilimi giriş gerilimine eşit olur. Giriş gerilimi zener geriliminin
üzerine çıktığında zener iletime geçerek regüle görevini yapar ve çıkış gerilimi zener diyot
uçlarındaki gerilime eşit olur. Diğer bir ifade ile diyotun dinamik direnci, Vz / I z  0 olacaktır.
Pratikte zener diyotların direnci sıfır değildir. Ancak voltaj regülatörü olarak kullanımına izin
verilecek kadar küçüktür. Zener diyotlu gerilim regüle devrelerinde aşağıdaki hususlara dikkat
edilmesi gerekmektedir:
1) Giriş gerilimi E, en az; zener diyotu iletime geçirebilecek minimum zener akımını ( IZmin )
sağlayabilecek yeterli büyüklüğe sahip olmalıdır.
2) RL yük direnci, üzerinden tüm akımı akıtabilecek RLmin değerinden daha büyük bir değere
sahip olmalıdır. Böyle bir durumda diyot üzerinden akan akım sıfır olacağından zener diyot
kesime geçecek ve regülasyon yapamayacaktır.
3) Zener diyotun güç kaybı Pz  Vz .I z üretici firmanın belirlediği değeri aşmamalıdır. Eğer
yük açık devre olursa yani değeri çok büyük olursa tüm akım diyottan geçeceğinden zener
zarar görebilir.
4) Yukarıdaki üç koşulun sağlanması için R öndirencinin belirlenmesi kritik önem
arzetmektedir.
Yukarıda verilen 1 ve 2. Koşullar; E ve RL değerinin yeteri kadar büyük olmasını, üçüncü
koşul ise bu iki değerin büyük olması konusunda kısıtlamalar getirmektedir. Yani, zener diyotun
zarar görmeden gerilim regülasyonu görevini yerine getirebilmesi için R ön direnci ile RL yük
direncinin minimum değerinin doğru olarak belirlenmesi gerekmektedir. Aşağıdaki eşitlik R direnci
için geçerli aralığın hesaplanmasında kullanılmaktadır. Şekil 3.2’de, zener diyotlu bir gerilim regüle
devresi verilmektedir. Şeil 3.2’deki devreden anlaşılacağı gibi, sabit bir giriş (veya dc kaynak )
gerilimi için ‘I’ devre akımı da sabit olacağından, yük akımı artıkça zener diyotun akımı
azalmaktadır.
E(min)  Vz
I z (min)  I L max
 Rs 
E(max)  Vz
I z (max)  I Lmim
I
;
E(min)  Vz
E(max)  Vz
 Rs 
Vz
Vz
I z (min) 
I z (max) 
RL(min)
RL (max)
R
Şekil 3.2. Zener diyotlu gerilim regüle devresi
( 3.1 )
Burada E(min) ve E(max) düzensiz dalgalanan gerilimin minimum ve maksimum değerlerini,
Iz(min) diyotu kırılma noktasında tutmak için gerekli ters akımın minimum değerini, IZ(max)
diyotun üretim safhasında belirlenen güç seviyesini aşmamasını sağlayan maksimum akımı,
RL(min) ve RL(max) yük direncinin maksimum ve minimum değerlerini ifade eder. Şekil 3.2’deki
devre için aşağıdaki bağıntılar yazılabilir:
E = VR + VL ( VZ )
I=
(3.2)
E - VZ
R
IL =
(3.3)
VZ
RL
(3.4)
I = IZ + IL
(3.5)
Zener diyotun regüle devresinin tasarımı için, Şekil 3.3’deki devre dikkate alınarak, aşağıdaki
basit hesaplamalar yapılır.
Emax  Vz
 Rmin
I z max
V
R Lmin  Z
I Zmax
R
I ' Z max 
(3.6)
(3.7)
E - VZ
R'
(3.8)
IZM: Katalogtaki ters yöndeki maksimum akım değeri, devrede zener diyottan geçebilecek
maksimum akım değerinin bu değerin mutlaka altında ( Izmax < IZM ) olması gerekir. Devrede zener
diyottan geçebilecek maksimum akım değeri, yük akımının sıfır ( IL=0 ) veya devrenin yüksüz
(çıkış açık devre: RL=0 ) durumdur. Bu durumda, devre akımı “I” zener diyot üzerinden geçer.
I=IZ
R
IL=0
Şekil 3.3. Yüksüz (veya çok küçük yük) zener diyot devresi
Ön Hazırlık Soruları :
1) Zener diyotun uygulanma alanları nelerdir?
2) Zener diyot ile diyot arasında ne gibi farklar vardır?
DENEYİN YAPILIŞI :
A. Zener Diyot ‘i-v’ Karakteristik Eğrilerinin Elde Edilmesi
1. İleri Polarma ‘i-v’ Karakteristik Eğrisinin Elde Edilmesi
1) Şekil 3.4’deki devreyi kurunuz ve alınan değerleri Tablo 3.2’ye kaydediniz.
2) Kaynak gerilimi E’yi, sırasıyla Tablo 3.2’de verilen diyot gerilimlerini elde edecek şekilde,
sıfırdan itibaren ayarlayınız. Her bir VD değeri için, direnç uçlarındaki VR gerilimini ve diyot
akımı IF’ yi hesaplayarak Tablo 3.2’ye kaydediniz.
3) Kaynak gerilimini sıfıra getirerek deneye son veriniz.
2. Ters Polarma ‘i-v’ Karakteristik Eğrsinin Elde Edilmesi
1) Şekil 3.5’deki devreyi kurunuz.
2) Kaynak gerilimi E’yi, Tablo 3.4’de yer alan zener diyotun üzerinden geçen akım değerlerini
elde edecek şekilde ayarlayınız ve her bir IZ değeri için, zener diyot üzerinde düşen gerilimi
(VZ) ölçünüz.
B. Zener Diyotlu Gerilim Regülatörü Devresi
1.
Yük ( RL ) Sabit
1) Şekil 3.6’ daki devreyi kurunuz.
2) Kaynak gerilimini sıfırdan itibaren eşit aralıklarla 10 volta kadar artırınız. Kaynak ve yük
uçlarındaki gerilimleri Tablo 3.5.a ‘ya kaydediniz.
2.
Kaynak Gerilimi ( E) Sabit
1) Şekil 3.6’ daki aynı devrede, Kaynak gerilimini 10 volta ayarlayınız ve deney boyunca sabit
tutunuz
2) Yük direncini, Tablo 3.6.b’de verildiği gibi, en yüksek değerden başlayarak düşürünüz. Her
yük direnci değerinde yük uçlarındaki gerilimi Tablo 3.6.b’ye kaydediniz.
Tablo 3.3. İleri polarma deneyi
I=ID
R
[k ]
E
[V]
V
V
E
1
VD
Şekil 3.4. İleri Polarma devesi
IZ
V
VZ
Şekil 3.5. Ters polarma devresi
VR= E- VD
[V]
IF= VR/R
[mA]
Tablo 3.4. Zener diyot ters polarma kakarakteristiği
E [V]
E
VD =VF
[V]
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
VZ [V]
IZ [mA]
0,05
0,10
1,00
5,00
10,00
15,00
20,00
30,00
I
R
E
V
6,2V
VL
Şekil 3. 6. Zener diyotlu gerilim regülatörü devresi
Tablo 3.5.a. Zener diyotlu geril regüle devresi (Yük sabit)
E
[V]
2
4
6
8
10
VL
[V]
RL
[k]
I =(E-VZ)/R
[ mA ]
IZ =I - IL
[ mA ]
IL= VL/RL
[ mA ]
10
Tablo 3.5.b. Zener diyotlu geril regüle devresi (Kaynak gerilimi sabit)
E
[V]
10
VL
[V]
RL
[V]
10
8
6,7
4,7
2,2
I =(E-VZ)/R
[ mA ]
IZ =I - IL
[ mA ]
IL= VL/RL
[ mA ]
Sorular ve İstenenler
Deney A1-2 : Zener Diyot i-V karakteristiği
1. Tablo 3.3 ve 3.4 deki bilinmeyenleri hesaplayarak tablollara kaydeniz
2.Tablo 3.3 ve Tablo 3.4’den yararlanarak zener diyotun “i-v” karakteristik eğrilerin, milimetrik
kağıda ,çiziniz
2. İleri yönde 2. Ve son akım ve gerilim değerleri için; ters yönde 3. ve son akım ve gerilim
değerleri için zener diyotun dinamik dirençlerini bulunuz.
3. Elde ettiğiniz sonuçlara göre, zener diyot i-v karakteristiğinin diyot i-vl karakteristiğinden farkını
belirtiniz
Deney B1-2 : Zener Diyotlu Regülatör Devresesi ( Şekil 3.6 )
B1. Yük Sabit
1. Tablo 3.5.a’da bilinmeyen değerleri hesaplayarak tabloya kaydediniz. ve 3.5Tablo 1 ve 2’deki
ölçüm sonuçlarından faydalanarak milimetrik kağıda zener diyotun doğru kutuplama
karakteristiğini çiziniz.
2. Deneyden çıkardığınız sonucu yazınız
B1. Yük Sabit
1. Tablo 3.5.b’da bilinmeyen değerleri hesaplayarak tabloya kaydediniz
2. Şekil devre için yük direncinin maksimum ve minimum değerlerini hesaplayınız
3. Seri öndirencin ve zener diyotun olmaısı gereken minimum güç değerlerini hesaplayınız
4. Deneyden çıkardığınız sonucu yazınız