A IX -M ARSEILLE U NIVERSITÉ IUT d’A IX -M ARSEILLE , Dépt. GEII Marseille DUT 1 ère Année 2014/2015 _____________________________________________________________________________________________________________________

TP n° 5

DIODE ZENER STABILISATION EN TENSION

Matériel : GBF, oscilloscope, alimentation stabilisée, multimètres BZX55C5V1 ; 100 Ω / 5 W ; 180 Ω / 2 W ; plan de charges 4 W L’objectif de ce TP est d'étudier la caractéristique d'une diode Zener et de l'utiliser pour réaliser une source de tension de référence de valeur proche de V

ZK

. I D Fonctionnement en direct : DIODE V Zk V pente = 1/r d V D V Z 0 MIN pente = 1/r z Fonctionnement en inverse : ZENER MAX I Z

Figure 1 : Caractéristique I(V) directe (diode) et inverse (Zener)

Consignes pour les graphes

Commencer par déterminer l'échelle des axes, en mesurant les coordonnées des points aux extrémités de la courbe. Ne pas présenter de tableau de mesure. Les points de mesures peuvent être éloignés les uns des autres sur des segments de droite, mais doivent être suffisamment rapprochés lorsqu'il y a un changement de pente. Matérialiser vos points de mesure par des croix bien visibles. Tracer la courbe en moyennant les points de mesure. Utiliser une règle pour les segments de droite.

I. Caractéristique courant-tension de la diode Zener

E R 100 Ω 5 W I Z Z V Z

Figure 2 : Circuit d'étude de la Zener

Préparation

Le courant du circuit sera déduit de la mesure de tension aux bornes de R. Compléter le schéma de la figure 2 avec deux voltmètres pour pouvoir relever les valeurs de V

Z

et de I

Z

. Préparer une feuille de papier millimétré (verticale) avec les échelles suivantes : - en abscisse : V

Z

de 4 à 5,6 V ; - en ordonnée : I

Z

de 0 à 100 mA.

Manipulation

Tester la Zener avec le testeur de composant de l'oscilloscope (broches Component Tester sous l'écran et touche XY/CT ). Relever la courbe obtenue à l'écran et la commenter (cf. figure 1). Le test vous permet de vérifier l'état du composant et son sens de branchement. Régler le courant électromoteur de l'alimentation E à 200 mA. Câbler le circuit. Pour éviter un échauffement de la Zener, ce qui modifierait ses caractéristiques, les mesures seront effectuées au vol, c'est-à-dire en branchant l’alimentation (et non en l’allumant) uniquement pendant le temps d’une mesure. On fera varier I

Z

et V

Z

en faisant varier E. Sur votre papier millimétré, relever point par point la caractéristique I

Z

(V

Z

) de la Zener pour V

Z

≥ 4 V et pour 0 ≤ I

Z

≤ I

ZMAX

.

Analyse des résultats

a.

Dans quelle plage de courants peut-on dire que la tension V

Z

est quasiment constante ? Justifier. b.

Déduire du graphe la valeur de la tension de seuil V

ZK

et de la résistance dynamique r

z

de la

Zener fonctionnant aux forts courants. Indiquer sur le graphe les points utilisés pour ces déterminations. c.

En déduire le schéma électrique équivalent de la Zener aux courants forts. d.

Donner l'équation numérique de la caractéristique modélisée de la Zener. e.

En utilisant ce modèle, calculer la tension V

Z

aux bornes de la Zener lorsqu'elle est traversée

par un courant de 80 mA. Comparer à la valeur obtenue en utilisant directement le graphe.

II. Stabilisation de tension

L’application principale de la Zener est la réalisation de tension de référence. Il s'agit d'obtenir une tension quasiment constante dans un circuit, même lorsque la charge R

L

ou la tension d'alimentation E varient (figures 3 et 4). On parle alors d’une stabilisation de tension.

1. Stabilisation par rapport aux variations du courant de charge

R 180 Ω 2 W I S Z I Z I L E V Z R L

Figure 3 : Stabilisation de la tension lorsque la charge R

L

varie

Préparation

Pour qu'il y ait stabilisation, il faut que la tension V

Z

soit supérieure ou égale à V

ZMIN

, borne inférieure du bon fonctionnement de la Zener (point MIN de la figure 1). Il faut donc que le courant I

Z

reste supérieur ou égal à I

ZMIN

. Sur la notice de la Zener, on a relevé les valeurs suivantes :

I

ZMIN

= 5 mA et V

ZMIN

= 4,8 V

Calculer I

SMIN

lorsque V

Z

= V

ZMIN

pour E = 20 V et R = 180

Ω . Puisque E = cte, on a I

S

= I

Z

+ I

L

= cte. Donc, lorsque I

L

augmente, I

Z

diminue et vice-versa. Déduire de I

SMIN

le courant limite I

LMAX

de stabilisation pour E = 20 V et R = 180 Ω . Calculer alors la valeur minimale de R

L

pour qu'il y ait stabilisation. Manipulation Réaliser le montage de la figure 3 avec E = 20 V. Prendre pour R

L

les résistances du plan de charges 4 W. Le courant I

L

sera mesuré à l'aide d'un ampèremètre. Mesurer le courant de court-circuit I

LSC

(lorsque R

L

= 0). Comme cette valeur est la valeur maximale, elle permet de définir la graduation de l'axe des abscisses. Relever la courbe V

Z

= f(I

L

) pour 0 < I

L

< I

LSC

.

Analyse des résultats

a.

Quelle est la valeur maximale du courant de charge I

L

que peut fournir le montage en stabilisateur de tension ? b.

Pour quelle plage de valeurs de R

L

a-t-on une stabilisation de tension V

Z

? Comparer à la limite trouvée en préparation.

2. Stabilisation par rapport aux variations de la tension d'alimentation

E R 180 Ω 2 W I S Z I Z V Z I L R L 600 Ω

Figure 4 : Stabilisation de la tension lorsque la tension d'alimentation E varie

Préparation En considérant les mêmes conditions limites données par le constructeur (cf. § II.1. Préparation), calculer la valeur minimale de E pour qu'il y ait stabilisation.

Mesures

Réaliser le montage de la figure 4. Relever la courbe V

Z

= f(E) pour 0 ≤ E ≤ 20 V. Analyse des résultats a.

b.

Pour quelles valeurs de E la tension V

Z

est-elle stabilisée ? Comparer à la limite trouvée en préparation. Calculer le coefficient de stabilisation

S

= ∆

V Z V Z

∆

E

.

E

c.

Commenter le résultat précédent sachant qu'une bonne régulation correspond à un coefficient de stabilisation inférieur à 10 -3 .