EEME210 ELEKTRONİK LABORATUARI

Transkript

1 Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü EEME210 ELEKTRONİK LABORATUARI DENEY 02: ZENER DİYOT ve AKIM GERİLİM KARAKTERİSTİĞİ BAHAR Grup Kodu: Deney Tarihi: Raporu Hazırlayan Deneyi Yapanlar No: Ad Soyad: İmza:

2 Deney 2: Zener Diyot ve Akım Gerilim Karakteristiği Küçük sinyal diyotları, delinme gerilimine yakın değerlerde hasar görebileceğinden, bu değerlerde kullanılamazlar. Buna karşılık, zener diyotlar delinme gerilimi civarında kullanılmak amacıyla silisyumdan yapılmış ancak özel olarak geliştirilmiş elemanlardır. Şekil 1 de zener diyotun şematik sembolü görülmektedir. Katot Anot Şekil 1: Zener diyot sembol ve görünüşleri Zener diyotların; delinme, ters akım ve doğru akım bölgelerinin her üçünde de kullanılması mümkündür. Şekil 2 de bir zener diyotunun I-V grafiği görülmektedir. Doğru akım bölgesinde yaklaşık 0,7 V tan itibaren sıradan bir silisyum diyot gibi akım geçirmeye başlar. Sıfır ile delinme gerilimi aralığındaki ters akım veya sızdırma bölgesinde çok az bir ters akım gözlenir. Zener diyotunda delinme noktasında keskin bir dönüş yaparken akım hemen hemen dikey olarak artar. Delinme bölgesinin büyük bir bölümünde gerilim bir V Z değerinde sabit kalır. Zener gerilimi Zener akımı Doğru kutuplama bölgesi Tavsiye edilen test akımı Maksimum güç ile sınırlandırılan zener akımı Gerilim regülasyonu bölgesi Şekil 2: Zener diyodun akım-gerilim karakteristiği Sayfa 1 / 7

3 Silikon diyotların içindeki katkıların miktarını ayarlamak suretiyle 2V tan 200 V a kadar değişen delinme gerilimine sahip zener diyotları yapabilmektedir. Bir zener diyotunda güç harcaması diyottan geçen akım şiddetinin diyot üzerindeki gerilimin çarpımına eşittir. Buna göre: P Z = V Z I Z Eğer P Z nominal güçten az ise diyot delinme noktası civarında hasar görmeden görev yapar. Ticari olarak kullanılan zener diyotlarının nominal güçleri 0,2 ile 5 W arasında değişir. Ticari ürün kataloglarında her zener diyot için nominal gücünü aşmamak üzere, izin verilen en fazla akım, maksimum akım (I ZM ) olarak belirtilir. Maksimum akımı, nominal güç ile ilişkilendiren ifade şöyledir: P ZM I ZM = V Z Burada, I ZM : Zener diyot için maksimum akım şiddeti, P ZM : Maksimum güç, V Z : Zener gerilimi Bir zener diyotu delinme bölgesinde çalışıyorken geçen akım küçük bir artış gösterdiğinde, gerilim de çok az artar. Bu, bize zener diyotunun az da olsa bir direnci olduğunu gösterir. Zener diyotların direnci (buna çoğu zaman zener empedansı denir) teknik özellikler listelerinde belirtilir. Bu direnç V Z geriliminin ölçülmesi için verilmesi gereken I ZR test akımına karşı diyotun gösterdiği dirençtir. Zener diyotunun direnci R ZT ile temsil edilir. Zener Diyotu ve Gerilim Regülasyonu Zener diyot, besleme geriliminde ve yük değerindeki büyük değişimlere rağmen sabit bir çıkış gerilimi verebilen gerilim regülatörlerinin en önemli kısmıdır. Zener diyottan geçen akımın değişmesine karşılık, çıkış gerilimi hemen hemen sabit kalan zener diyotlarına bazen gerilim regülatörü diyotu denir. Normal kullanımda, Şekil 3 de de görüldüğü gibi zener diyotu devreye üzerinde ters polarizasyon olacak şekilde bağlanır. Ayrıca delinmenin meydana getirilmesi için V S geriliminin V Z delinme geriliminden büyük olması gerekir. Ancak her zaman diyotla seri olarak bağlanan bir R S direnci kullanılmalıdır. Bu direnç diyottan geçen zener akımını nominal akımın altında tutarak diyotun yanmasını önler. Buna dikkat edilmezse, aşırı güç harcayan her eleman gibi diyot da yanarak zarar görür. Sayfa 2 / 7

4 Şekil 3: Zener diyotun çalışma bölgesi Buradaki direnç üzerindeki gerilim kaynağın gerilimi ile zener gerilimi arasındaki farka eşittir. Yani: V S V Z dir. O halde dirençten geçen akım: V S V Z I = R S Zener diyotun çalışma noktası, yük doğrusu ile çalışma eğrisinin kesişme noktasıdır. Yük doğrusu iki nokta yardımı ile çizilir. Bu iki noktadan biri V Z =0 iken I z nin ölçülmesi, diğeri ise I z = 0 iken V Z nin ölçülmesi ile bulunabilir. Değişik bir kaynak gerilimi veya değişik bir dirençle bir yük doğrusu çizseniz dahi bulacağınız zener gerilimi buna çok yakın olacaktır. Çünkü bu aralıkta çalışma eğrisi hemen hemen dikeydir. Şekil 4: Yük altındaki zener diyotlu gerilim regülatörü Şekil 4 de bir yük üzerindeki gerilimi regüle eden bir zener diyotunu göstermektedir. Bu devrede iki tane birleşme noktası olduğundan daha önce gördüğümüz zener devrelerinden biraz daha karmaşıktır. Ancak ana prensip aynıdır. Zener diyot yine delinme noktasında çalışacak ve yük üzerindeki gerilimi, hemen hemen sabit tutacaktır. Sayfa 3 / 7

5 Yük akımı : EEME210 Elektronik Laboratuarı, Bahar Dönemi, Deney 2 Zener diyotunun küçük direnci nedeniyle devre üzerindeki etkisi az olduğundan, yük üzerinden geçen akımı yaklaşık olarak aşağıdaki şekilde hesaplayabiliriz. V S I L = R L Zener diyottan geçen akım: V S V Z I Z = I S I L = I L R S İdeal zener diyot modeli: En basit yaklaşım, delinme bölgesini bir dikey hat olarak kabul etmektir. Burada zener diyotunun direncinin sıfır olduğu varsayımı ile akım değişimlerine rağmen gerilimin sabit kaldığı kabul edilir. Şekil 5 de zener diyotun delinme bölgesindeki idealize edilmiş çalışma grafiği görülmektedir. Burada zener bir pil gibidir. Bu demektir ki, bir devrede delinme bölgesinde çalışan bir zener diyotun yerine V Z voltluk güç kaynağı koyabiliriz. Şekil 5: İdeal zener diyot ve ters kutuplamada eşdeğer modeli Sayfa 4 / 7

6 Zener Diyotlu Gerilim Regülatörü UYGULAMA: Şekil 6: Zener diyot karakteristiği devresi (doğru kutuplanmış) Deneyin yapılışı: Şekil 6 da, deneyde kullanılacak olan zener diyotlu gerilim devresi verilmiştir. Kullanılan zener diyot, 5.1 V değerine sahiptir. Deneyin birinci aşamasında, deney düzeneğinden yararlanılarak zener diyotun akım gerilim karakteristiği çıkarılacaktır. Zener diyotun akım-gerilim karakteristiği çıkarılırken, ilk olarak, doğru kutuplanarak çeşitli gerilim kademelerinde akımı ölçülecek ve tabloya yazılacaktır. Daha sonra da ters kutuplanarak aynı şekilde, çeşitli gerilim kademelerinde akımı ölçülecek ve tabloya yazılacaktır. Elde edilen tablolar yardımıyla akım-gerilim karakteristiği çizilecektir. (Bu deneyde, voltmetre ve ampermetrenin devreye etkisi (yükleme etkisi), ölçülen değerler yanında çok küçük olduğundan göz ardı edilecektir) Deneyin ikinci aşamasında ise zener diyotun gerilim regülatörü olarak çalışması incelenecektir. Çıkışa değişken bir yük direnci bağlanarak, yükün artması ile zener diyot geriliminin değişimi incelenecektir. Zener diyotun akım-gerilim karakteristiğinin elde edilmesi: a) Doğru kutuplanma bölgesi: 1) Şekil 6 daki bağlantıları deney setiniz üzerinde hazırlayınız. 2) Multimetrelerden birini voltmetre kademesine getirerek Range seçimini gösterge 00.00V, diğerini ampermetre ( A) kademesine getirerek Range seçimini gösterge A olacak şekilde ayarlayınız. 3) Ayarlı DC gerilim kaynağını, ayar düğmesini en sola doğru çevirerek 0V değerine getiriniz ve kaynağa güç veriniz. Sayfa 5 / 7

7 4) Ayarlı gerilim kaynağınının çıkış gerilimi Vs yi yavaş yavaş arttırarak Vz zener diyot geriliminin her 0,10 V luk kademesinde, ampermetreden ölçülen akımı Tablo 1 e kaydediniz. Ölçme hataları ihmal edilirse, bu akım Iz zener akımına eşittir. Deney düzeneğini küçük bir değişiklikle sonraki adımda kullanacaksınız, bozmayınız. b) Ters kutuplanma bölgesi: 5) Güç kaynağını 0V değerine getirin. 6) Bu defa güç kaynağının devreye bağlanan uçları yer değiştirilerek besleme gerilimi ters polaritede uygulayın (Geri kalan bağlantı yine Şekil 6 daki bağlantının aynısı olmalıdır.) 7) Multimetrelerden birini voltmetre kademesine getirerek Range seçimini gösterge 00.00V, diğerini ampermetre ( A) kademesine getirerek Range seçimini gösterge A olacak şekilde ayarlayınız. 8) Ayarlı gerilim kaynağınının çıkış gerilimi Vs yi yavaş yavaş arttırarak Vz zener diyot geriliminin Tablo 2 deki değerlere getirin ve buna karşılık Iz akımını ölçerek Tabloya kaydediniz. Iz akımı yaklaşık 800 A ve üstündeki değerlerde ampermetreyi ma kademesine getiriniz. Böylece Zener diyotun akım-gerilim karakteristiği için gerekli ölçümler yapılmış oldu. Bu ölçümler ölçekli olarak bir milimetrik kağıda işaretlenerek Şekil 2 deki karakteristik çizilecektir. Yük altında zener diyotlu gerilim regülatörü: Şekil 7: Yük altında zener diyotlu gerilim regülatörü devresi 9) Şekil 7 de verilen bağlantıları gerçekleştiriniz. Burada ölçü aletlerinin +, - uçları diyota göre değil, devrede kullanımına göre yapılmıştır, buna göre bağlayınız. 10) Öncelikle R L yükü yok iken, Vz gerilimini 5.1 V olacak şekilde Vs kaynak gerilimini ayarlayınız. 11) R L yükü için verilen potansiyometreyi boşta bağlamadan önce Tablo 3 deki değerlere getirerek, buna karşılık gelen V z (=V RL ) gerilimini not alarak tabloyu doldurunuz. Sayfa 6 / 7

8 Ölçüm Sonuçları: Vz [ V ] Iz A 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0, Tablo 1: Doğru kutuplanmış zener diyot için ölçülen gerilim-akım değerleri Vz [ V ] Iz A 1,00 2,00 3,00 4,00 4,80 4,90 5,00 5,10 5,15 Tablo 2: Ters kutuplanmış zener diyot için ölçülen gerilim-akım değerleri R L [kω] Sonsuz (yük yok) V RL [V] Tablo 3: Yük direncinin değişimine göre, ölçülen çıkış gerilimleri Sorular: 1) Ölçü aletlerinin ideal olduğu varsayılırsa, Şekil 6 daki devrede, Vz = 5,1 V için devre elemanlarının ve kaynağın güçlerini hesaplayın. Rapor Hazırlanması: Grup adına tek bir rapor verilmesine rağmen, milimetrik kağıda karakteristik çizimini tüm grup üyeleri çizip, ad-soyad, numara yazıp imzalayarak rapora iliştirmelidir. Sayfa 7 / 7