Лаб_Шелковников / Лаб. работы / Лаб.раб.№3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Цель работы: изучение свойств полупроводниковых диодов, стабилитронов и параметрического стабилизатора напряжения, овладение методикой расчета и экспериментального определения их параметров и характеристик.

Задание к работе:

1. Провести экспериментальное исследование вольт-амперной характеристики (ВАХ) выпрямительного диода. Определить зависимость дифференциального сопротивления диода от тока через диод. Определить напряжение открытия диода.

2. Провести экспериментальное исследование (ВАХ) стабилитрона. Определить зависимость дифференциального сопротивления стабилитрона от тока через диод. Определить напряжение стабилизации и минимальный толк стабилизации.

3. Рассчитать параметрический стабилизатор напряжения по заданным значениям входного и выходного напряжения, максимального тока нагрузки.

4. Экспериментально исследовать параметрический стабилизатор напряжения. Определить коэффициент стабилизации и выходное сопротивление стабилизатора.

Указание к проведению работы:

Изучить принцип действия полупроводниковых диодов, стабилитронов и области их применения.

1. Для снятия прямой ветви ВАХ полупроводникового диода использовать схему, приведенную на рис. 1, а. С помощью переменного резистора R_П задается ток через диод VD. Резистор R_О предназначен для ограничения максимального тока, протекающего через p-n переход диода VD. Значение сопротивлений резисторов рассчитывается по заданным значениям напряжения U_О и диапазона регулировки тока, протекающего через диод (от долей мА до 10 – 15 мА).

Рис. 1, а. Схема для снятия прямой ветви ВАХ полупроводникового диода

Обратная ветвь ВАХ полупроводникового диода снимается по схеме, приведенной на рис. 1, б. Сопротивление переменного резистора R_П­­, которым задается обратное напряжение на диоде, рассчитывается исходя из заданных значений напряжения U_O и максимального тока нагрузки источника напряжения U_{O ­} (10 – 15 мА).

Рис. 1, б. Схема для снятия обратной ветви ВАХ полупроводникового диода

Для определения дифференциального сопротивления диода r_д , как функции тока через диод, необходимо рассчитать значение r_д на крутом, пологом участке ВАХ диода и на ее загибе. Расчет ведется по формуле:

r_д = U_VD / I_VD , (1)

где U_VD, I_VD – соответственно приращения напряжения на диоде и тока через диод.

Напряжение отпирания диода U_отп определяется по точке пересечения касательной к крутому участку ВАХ диода с осью напряжений.

2. Для снятия прямой и обратной ветвей ВАХ стабилитрона использовать схему, приведенную на рис. 1, а, но при снятии обратной ветви необходимо изменить полярность источника питания U_О. Требования к значениям R_О и R_П те же, что и в п. 1. Напряжение стабилизации стабилитрона VD определяется по обратной ветви ВАХ на участке, проходящем почти параллельно оси токов. Минимальный ток стабилизации соответствует началу участка ВАХ параллельного оси токов.

3. В основе расчета параметрического стабилизатора напряжения, упрощенная принципиальная схема которого приведена на рис. 2, лежит условие постоянства тока, протекающего через ограничительный резистор R₀:

I = (U₁ – U₂) / R₀ = I_CT + I_H = const (2)

R­₀

I

I_CT

I_H

U­₁

VD

U₂

R_H

Рис. 2. Параметрический стабилизатор напряжения

Из данного равенства следует, что при изменении протекающего через нагрузку тока на какое-то значение I_H происходит изменение значения протекающего через стабилитрон тока на - I_СТ, по модулю равных между собой, т.е. сумма токов I_CT + I_H = I остается постоянной.

Выбор сопротивления резистора R₀ и типа стабилитрона должен производиться таким образом, чтобы при I_H = I_Hmax и минимальном значении входного напряжения U₁ = U_1min обеспечивался ток через стабилитрон не меньше паспортного значения минимального тока стабилизации (I_CTmin) данного стабилитрона.

При I_H = 0 и максимальном входном напряжении U₁ = U_1max ток через стабилитрон не должен превосходить паспортного значения.

Последовательность расчета параметрического стабилизатора:

1. При заданном типе стабилитрона находится сопротивление ограничительного резистора R₀ по формуле:

R₀ = (U_1min – U₂) / (I_CTmin + I_Hmax) (3)

2. Далее по формуле (4) находится значение тока, текущего через стабилитрон и проверяется выполнение условия I_CT  I_CTmax .

I_CT = (U_1max – U₂) / R₀ (4)

При невыполнении условия I_CT  I_CTmax необходимо изменить исходные данные.

3. Затем находятся основные параметры, характеризующие качество стабилизатора: коэффициент стабилизации К_СТ = (U₂R₀) / (U₁r_д) и выходное сопротивление параметрического стабилизатора R_ВЫХ  r_д. Значение дифференциального сопротивления r_д берется из данных п. 2.

4. Экспериментальное исследование параметрического стабилизатора производить по схеме рис. 3.

I_H

R_Hmin

R­₀

I_Ro

V

VD

U₂

U­_рег  U₁

R_Hрег

Рис. 2. Схема исследования параметрического стабилизатора напряжения

Минимальное сопротивление нагрузки R_Hmin рассчитывается по заданным значениям U₂ (выходное напряжение параметрического стабилизатора) и I_Hmax (максимальное значение выходного тока стабилизатора).

Регулируемое сопротивление нагрузки R_Hрег рассчитывается из условия регулировки тока от 1 мА до I_Hmax­ .

На вход стабилизатора подается напряжение от регулируемого источника U_рег по своему значению не превышающего U_1max.

Для определения параметров стабилизатора снять зависимости:

1. U₂ = f (U₁, I_H = I_Hmax) – здесь входное напряжение, подаваемое на параметрический стабилизатор изменяется, а ток нагрузки стабилизатора постоянен и равен максимальному значению в соответствии с техническим заданием;

2. U₂ = f (I_H, U₁ = U_1ном) – здесь ток нагрузки стабилизатора изменяется, а здесь входное напряжение, подаваемое на параметрический стабилизатор постоянно и равно номинальному значению U_1ном в соответствии с техническим заданием.

При снятии зависимостей необходимо контролировать ток через ограничительный резистор R₀.

Расчет коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора напряжения производится по формуле:

К_СТ = (U₁U₂) / (U₁U₂) . (5)

Расчет выходного сопротивления параметрического стабилизатора напряжения производится по формуле:

R_ВЫХ = U₂ / I_H  . (6)

Контрольные вопросы:

1. Как изменяется проводимость диода при прямом и обратном напряжении на диоде?

2. Можно ли использовать прямую ветвь ВАХ диода для стабилизации напряжения?

3. Какие параметры используются для характеристики работы стабилизаторов напряжения?

4. Приводит ли к выходу из строя параметрического стабилизатора напряжения короткое замыкание на его выходе?

5. Как с помощью диодов и стабилитронов можно построить выпрямитель переменного напряжения, ограничитель уровня напряжения?

6. Как изменится ток через балластный резистор параметрического стабилизатора, если ток через нагрузку увеличится в два раза, уменьшится в два раза?