Diode Zener - Stabilisation de tension

Version du 25/01/2003
Diode Zener
–
Stabilisation de tension
1) Relevé de la caractéristique statique
S étant la tension aux bornes de la diode
Zener, reste < 6 V
Avec ce choix de montage :
6V
= 0,6 µA
Ivolt <
10 MW
Donc, sauf lorsque S est proche de 0, on a
toujours Ivolt << IZ, et Ivolt reste masqué
dans l’incertitude sur I
On peut dire que I ª IZ
R=100 W
D V ≤ 0,3 V
mA
I
Ivolt < 0,6 µA
S
E
Iz
Par ailleurs, la mesure de S n’est entachée que de l’incertitude due au voltmètre.
Ë Ce montage des appareils de mesure ne nécessite pas de corrections autres que
celles des incertitudes des appareils.
La linéarisation de la zone « zener » de la caractéristique conduit à :
ÏÔ Vz = 5,036 V
Ì rZ = 5,206 – 5,036
50.10-3
ÔÓ
IZK = 6 mA
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= 3,4 W
p-1
V
2) Polarisation de la diode
Le schéma du montage est le suivant :
R=100 W
ZL
éventuelle
S
E
Iz
On linéarise la caractéristique dans 2 domaines :
- Diode bloquée:
- Iz = 0
- Pour 0 £ S £ 4,2 V car on
Ï S = 4,296 V
a mesuré un point ÌÓ Iz = 0,01 mA
Vz = 5,036 V
S(V)
10
5
4
3
2
S0
- Diode fonctionnant en Zener :
ÏVz = 5,036 V
S = Vz + rZ.Iz avec ÌÓ r = 3,4 W
Z
Ï I = 6 mA £ Iz £ 50 mA
ZK
pour ÌÓ et 5,045 V£ S £ 5,206 V
IF
Iz = 0
Vd
1
10
I ZK
Iz0
P0
- Entre les 2 domaines il n’y a pas
de représentation simple mais la
caractéristique réelle est continue
et monotone.
50
rz= 3,4 W
-1 / R
100
340 mV
Vz + 0,.4 V = 5,736 V
Iz (mA)
• Le point de repos Po est l’intersection de la caractéristique du générateur, et de la
caractéristique du récepteur :
Ï
R.Vz + rz.E
100 x 5,036 + 3,4 x 10,00
V = 5,119 V
100 + 3,4
10 - 5,036
Izo =
=
A = 48,0 mA
R + rz
100 + 3,4
Ô S0 =
Ï S = E – R.Iz
R +rz
Ì
Ì
Ë
Po
Ó S = Vz + rZ.Iz
E – Vz
Ô
Ó
=
• Le refroidissement de la diode par convection naturelle conduit à :
Ï Tjmax – Ta = Rth . Pzmax
Ì
Tjmax – Ta 150 – 25
=
Ó Ë Pzmax =
Rth
250
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W ª 500mW
p-2
• D’où le courant maximal admissible dans la Zener IZM :
Ï PZM = S.IZM = (Vz + rZ.IZM).IZM
Ì
-Vz + Vz2 + 4rZ.Pzmax -5,036 +
I
=
=
Ó ZM
2rZ
5,0362 + 4 x 3,4 x 0,5
A = 93 mA
2 x 3,4
• Mesures de Po
Ï So = 5,202 V ± Ds
Ì
Ó Izo = 49 mA ± DIz avec pour S ª 5V :
Ï Ds = 5 x 5.10-4 V + 3 digits = 25.10-4 V + 3mV = 5,5 mV
Ì
Ó DIz = incertitude de points+classe galvanomètre = 1division + 0,5%
soit, pour 50 mA sur le calibre 100 mA : DIz ª 1 mA + 0,25 mA = 1,25 mA
Ï 5,196 V £ So £ 5,208 V
En résumé : ÌÓ 47,7 mA £ Izo £ 50,3 mA
La plage des valeurs expérimentales recouvre les valeurs théoriques attendues.
Attention Pour les mesures, vérifier la valeur E = 10 V avec un multimètre, car les
indicateurs des alimentations, quoique numériques sont imprécis …
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p-3
3) Influence de la charge à E constant
• En régulation, le schéma équivalent de la Zener est :
ÏVz = 5,036 V
(Vz est une f.c.e.m. pour Iz) , avec ÌÓ r = 3,4 W
z
rZ
Iz
et IZK = 6 mA £ Iz £ IZM = 90 mA
S
Vz
• Le schéma équivalent du montage est donc :
Iz
R=100 W
rZ
E
IL
S
RL
Vz
IL
r
¤
ET
S
RL
IZK = 6 mA £ Iz £ IZM = 90 mA ¤ conditions sur S
•
Ï r = R // rZ = 100 // 3,4 = 3,29 W
RVz + rZE
On a : Ì
Ó ET = R+ rZ = So = 5,202 V
• fi En charge : S = ET
RL
150
= 5,202 *
V = 5,090 V
r + RL
150 + 3,29
• Le point de fonctionnement "remonte" sur la caractéristique :
Ï DS = S – So = 5,090 V = -112 mV
Ô Diz = Ds = -34 mA
Ì Iz = Izor + Diz = 49 – 34 = 15 mA > I
Ô S 5,090
Ó I = R = 150 = 33,9 mA
Z
L
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ZK
L
p-4
• Mesures :
- Les résultats expérimentaux, compte tenu de leurs incertitudes,
recouvrent ces valeurs.
- Bien mesurer E au multimètre.
PL
, avec
PL + Pz + PR
ÏÔ PL = S . IL = 5,090 x 33,9 = 173 mW
Ì Pz = S.Iz = (Vz + r Iz).Iz = 5,090 x 15 = 76 mW
z
ÔÓ
PR = (E-S)(Iz + IL) = (10 - 5,090).(15 + 33,9) = 240 mW
173
D’où h =
= 35 %
173 + 76 + 240
• Rendement : h =
• Plus RL diminue, plus le point de fonctionnement "remonte" sur la
caractéristique ; il y a compensation entre le courant dans RL, et le courant dans la
Zener, pourvu que Iz > IZK : d’où l’existence d’une RL limite, correspondant - en
gros - à Iz = 0 et S = 5V :
R
Ë RL limite = R.
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Vz
5,090
= 100.
W = 104 W.
E - Vz
10-5,090
IL
E
R L limite
Vz
p-5
4) Coefficients de régulation du montage
• Pour la Zener fonctionnant dans la zone de régulation, d’après le schéma
équivalent :
R.Vz + rZ.E R.rZ
S = ET – r.IL soit S =
–
.I
R + rZ
R+rZ L
D’où, en différentiant à Vz constant : Ds =
rZ
R.rZ
. DE . DIL ≡ K.DE – Rs.DIL
R+rZ
R+rZ
Ï
r
3,4
K= Z =
= 3,3% : coef.de régulation amont
Ì
R+rZ 103,4
D’où :
Ó Rs = R // rZ = 3,29 W : coef. de régulation aval (de sortie)
R
En régulation, on écrira donc :
S = K.E – Rs.IL
• Hors régulation (Zener bloquée) : S = E – R.IL
IL
E
• ILlimite ou E limite sont atteints pour S = VZ, donc à la
limite :
Ï Elim = Vz + R.IL = 7 V
RL
E - VZ
S = Vz =
.E Ë Ì
R + RL
Ó ILlim = R = 50 mA
Schéma équivalant hors régulation
On en déduit les courbes bilinéaires suivantes : où So =
sortie à vide.
S
R.Vz + rZ.E
, tension de
R + rZ
S
E
S(IL)
à E = Cte
S(E)
à IL = Cte
S= E - R.I L
-RS
So
RL
S
E = 10 V
Vz
I L = 20 mA
Vz
-R
K
1
Zener ON
Zener ON
E/R
IL limite
= (E-Vz)/R
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IL
R.I L
E
E lim
= Vz + R IL
p-6