МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра систем автоматизированного проектирования

отчет

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Схемотехника»

Тема: Выпрямители и стабилизаторы на кремниевых диодах и стабилитронах

Студент гр. 8091		Гришин И.Д.
Преподаватель		Соколов Ю.М.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы состоит в ознакомлении с принципами построения выпрямителей и параметрических стабилизаторов, реализуемых на кремниевых диодах и стабилитронах, и в экспериментальном исследовании их основных технических характеристик с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS.

1.1. Основные характеристики кремниевых диодов и стабилитронов

1.1.1. Общая часть

Условное изображение полупроводникового диода приведено на рис. 1.1, а, где А – анод, К – катод, I – ток диода, U – напряжение на диоде (если полярность напряжения U приведена без скобок, диод открыт, со скобками – закрыт). Вольт-амперная характеристика идеального полупроводникового диода описывается уравнением Эберса – Молла

, (1.1)

где  – обратный ток насыщения диода;  – температурный потенциал.

Рис. 1.1

Уравнению (1.1) соответствует вольт-амперная характеристика 1, приведенная на рис. 1.2. Реальный диод в области нижних и средних частот можно представить в виде последовательного соединения идеального диода и резистора R, где R – омическое сопротивление объема полупроводникового кристалла. Поэтому в области больших токов реальный диод, в отличие от идеального, имеет линеаризованную характеристику 2. Кремниевый диод в открытом состоянии имеет напряжение нечувствительности  0,4…0,5 В, а напряжение открытого диода , как правило, составляет 0,6…1 В (рис. 1.2, характеристика 2); в закрытом состоянии диод практически обесточен.

Рис. 1.2

Стабилитрон является полупроводниковым диодом, работающим в режиме обратимого пробоя. Условное графическое обозначение стабилитрона приведено на рис. 1.1, б; его вольт-амперная характеристика представлена на рис. 1.2, кривая 3. В режиме обратимого пробоя (см. рис. 1.1, б – полярность напряжения U со скобками) при большом изменении тока через стабилитрон от минимального значения до максимального значения напряжение стабилизации стабилитрона практически не изменяется (рис. 1.2, характеристика 3). В прямом включении (см. рис. 1.1, б – полярность напряже­ния U без скобок) стабилитрон работает как открытый диод. Дифференциальное сопротивление стабилитрона , характеризующее наклон его вольт-амперной характеристики в области обратимого пробоя (рис. 1.2, точка А),

, (1.2)

как правило, не превышает нескольких десятков Ом ( и  – приращение напряжения и тока в окрестности точки А).

1.1.2. Экспериментальная часть

Измерим вольт-амперную характеристику кремниевого диода с использованием цифрового мультиметра (ЦМ). Для этого на макетной плате подключим диод к токовым контактам ЦМ (анод – CURRENT HI; катод – CURRENT LO). В меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функцию Two Wire Current-Voltage Analyzer (Двухпроводной вольт-амперный анализатор). Появится интерактивная панель управления (ИПУ), позволяю­щая строить вольт-амперные характеристики испытуемых устройств. Посредством данной ИПУ к диоду прикладывается пробное перестраиваемое напряжение в определенных пределах и с определенным шагом. Для кремниевого диода зададим следующие параметры: Start – –2 В; Stop – +2 В; Increment – 0,05 В.

Обратите внимание на то, что при тестировании нужно установить максимальный ток (10 мА) в обоих направлениях. Это позволяет избежать режимов работы диодов, при которых возможно их повреждение. Нажмем кнопку запуска Run. Убедимся в том, что вольт-амперная характеристика испытуемого диода аналогична приведенной на рис. 1.2. Используя курсор, определим напряжение нечувствительности диода , при котором его ток составляет 0,1 мА, и напряжение открытого диода при токе I = 5 мА, а также оценим порядок обратного тока насыщения диода .

Измерим вольт-амперную характеристику кремниевого стабилитрона в режиме обратимого пробоя. Для этого на макетной плате подключим стабилитрон к токовым контактам ЦМ (катод – CURRENT HI; анод – CURRENT LO). В меню запуска инструментов NI ELVIS выберем функцию Two Wire Current-Voltage Analyzer. Для кремниевого стабилитрона зададим следующие параметры: Start – 0 В; Stop – +6 В; Increment – 0,05 В, макси­мальный ток в обоих направлениях 10 мА. Убедимся в том, что вольт-амперная характеристика испытуемого стабилитрона аналогична кривой 3, приведенной на рис. 1.2, только третий квадрант стал соответствовать первому. В области протекающего через стабилитрон тока  = 5 мА выбираем две соседние точки, с помощью курсора определяем для них параметры U и I и находим дифференциальное сопротивление стабилитрона (1.2) и его напряжение стабилизации .

Измерим вольт-амперную характеристику кремниевого стабилитрона в прямом включении. Убедимся в том, что в этом случае стабилитрон пред­став­ляет собой открытый диод.