Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра комплексной информационной безопасности электронно-вычислительных систем (КИБЭВС)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА

Отчет по лабораторной работе №1

по дисциплине «Электроника и схемотехника»

Вариант №4

	Студент гр. 723-1
	_________
	06.12.2024 Руководитель
	доцент каф. КИБЭВС, к.т.н., доцент
	________ Мальчуков А.Н.
	06.12.2024

Введение

Цель работы – исследование основных характеристик полупроводникового выпрямительного диода

Задачи на лабораторную работу:

1. Собрать схемы для диода 1N4151 и измерить значения прямого и обратного напряжения с помощью мультиметра. Вычислить ток диода при прямом и обратном смещениях с помощью мультиметра;

2. Собрать схему для диода 1N4151. Измерить ток диода при прямом смещении. Изменить полярность источника питания. Измерить ток диода при обратном смещении;

3. Построить прямую ветвь ВАХ диода. Последовательно измерить значения источника питания: 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0,9 В, 0,8 В, 0,7В, 0,6 В, 0,5 В, 0,4 В, 0,3 В, 0,2 В, 0,1 В, 0 В. Записать значения напряжения и тока диода и вычислить для них 𝑅𝑐 ;

4. Построить обратную ветвь ВАХ диода. Последовательно измерить значения источника питания: 0 В, -4 В, -5 В, -6 В, -10 В, -15 В. Выбрать несколько точек в зависимости от пробивного напряжения диода 1N4151. Записать значения напряжения и тока диода и вычислить для них 𝑅𝑐;

5. Рассчитать 𝑅д в точках: 𝐼пр = 4 мА, 𝐼пр = 0,4 мА, 𝐼пр = 0,2 мА и 𝑈об = −5 В;

6. Определить напряжение изгиба на графике ветви ВАХ;

7. Собрать схему для получения ВАХ диода 1N4151 с помощью осциллографа. Определить величину напряжения изгиба по осциллографу и сравнить с тем, которое определили по прямой ветви ВАХ;

8. Написать выводы о проделанной работе.

1 ИЗМЕРЕНИЕ ПРЯМЫХ И ОБРАТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПОМОЩИ МУЛЬТИМЕТРА И ВЫЧИСЛЕНИЕ ТОКА. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И СРАВНЕНИЕ ЕГО С ВЫЧИСЛЕННЫМИ ДАННЫМИ

Построение схем происходит в программе Electronics Workbench. На рисунках 1.1 и 1.2 представлены схемы, с помощью которых происходили измерения значений прямого и обратного напряжения соответственно при помощи мультимера.

Рисунок 1.1 - Измерение значения прямого напряжения

Рисунок 1.2 - Измерение значения обратного напряжения

Измерения проводились с помощью следующих формул:

(1.1)

где 𝐼_пр – ток диода в прямом направлении, А;

E – напряжение источника питания, В;

𝑈_пр – напряжение на диоде в прямом направлении, В.

(1.2)

где 𝐼_об – ток диода в обратном направлении, А;

U_об – напряжение на диоде в обратном направлении, В.

Таким образом, вычисление обратного и прямого токов по формулам 1.1-1.2 соответственно.

Для экспериментального измерения значений прямого и обратного тока были собраны схемы представленные на рисунках 1.3 - 1.4 соответственно.

Рисунок 1.3 - Измерение прямого тока

Рисунок 1.3 - Измерение обратного тока

Сравнив вычисленные значения и значения полученные экспериментально убедились, что они сходятся, что подтверждает правильность выполнения работы.

2 Получение вах. Построение прямой и обратной ветвей вах. Вычисление динамического сопротивления рабочих точек

Для получения значений напряжений и сил тока при разных значениях ЭДС собрана схема, представленная на рисунках 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 включающая в себя амперметр и вольтметр.

Рисунок 2.1 - Схема для измерения напряжений и сил тока при разных

значениях ЭДС

Рисунок 2.2 - Схема для измерения напряжений и сил тока при разных

значениях ЭДС

Рисунок 2.3 - Схема для измерения напряжений и сил тока при разных

значениях ЭДС

Рисунок 2.4 - Схема для измерения напряжений и сил тока при разных

значениях ЭДС

Для прямой ветви ВАХ значения ЭДС последовательно меняются на 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0,9 В, 0,8 В, 0,7 В, 0,6 В, 0,5 В, 0,4 В, 0,3 В, 0,2 В, 0,1 В, 0 В. Полученные значения, а также значения ЭДС и значения статического напряжения, вычисленные по формуле 2.1, занесены в таблицу 2.1.

(2.1)

где 𝐼_пр – ток диода в обратном направлении, А;

U_пр – напряжение на диоде в обратном направлении, В.

Таблица 2.1 - Результаты измерений и вычислений прямой ветви ВАХ

E, В	Uпр, мВ	Iпр, мВ	Rc, Ом
5	646,6	4,353
4	637,0	3,363
3	625,0	2,375
2	608,3	1,392
1	574,7	0,4253
0,9	568,0	0,332
0,8	559,4	0,2406
0,7	547,3	0,1527
0,6	527,6	0,07235
0,5	485,4	0,0146
0,4	399,1	0,000902
0,3	299,7	0,00031
0,2	199,8	0,0002
0,1	99,9	0,0001
0	0	0	∞

На основе данных из таблицы 2.1 был построен график зависимости прямого тока от прямого напряжения, представленный на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - График зависимости прямого тока от прямого напряжения

На графике можно увидеть место, где характеристика претерпевает резкий излом. Оно находится в точке 9 и значение напряжения изгиба равно 676,5мВ.

Для обратной ветви ВАХ значения ЭДС последовательно меняются на 0 В, -4 В, -5 В, -6 В, -10 В, -15 В, далее выбираются точки в зависимости от пробивного напряжения диода. Методом подбора пробивного напряжения были получены значения ЭДС равные -100,6 В, -100,8 В, -101 В, -101,2 В, - 101,4 В. Полученные значения, а также значения ЭДС и значения статического напряжения, вычисленные по формуле 2.2, занесены в таблицу 2.2.

(2.2)

где 𝐼_об – ток диода в обратном направлении, А;

U_об – напряжение на диоде в обратном направлении, В.

Таблица 2.2 - Результаты измерений и вычислений обратной верти ВАХ

E, В	Uоб, В	Iоб, мА	Rс, кОм
0	0	0	∞
-4	-3,996	-0,003996	1000
-5	-4,995	-0,004995	1000
-6	-5,994	-0,005994	1000
-10	-9,99	-0,00999	1000
-15	-14,98	-0,01498	1000
-100,6	-100,5	-0,1146
-100,8	-100,5	-0,2527
-101	-100,6	-0,432
-101,2	-100,6	-0,6198
-101,4	-100,6	-0,8112
-101,6	-100,6	-1,004

На основе данных из таблицы 2.2 был построен график зависимости обратного тока от обратного напряжения (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - График зависимости обратного тока от обратного напряжения

На схемах, изображенных на рисунках 2.7, 2.8, 2.9, 2.10, 2.11, показан процесс поиска пробивного напряжения.

Рисунок 2.7 - Схема для измерения напряжений и сил тока

Рисунок 2.8 - Схема для измерения напряжений и сил тока

Рисунок 2.9 - Схема для измерения напряжений и сил тока

Рисунок 2.10 - Схема для измерения напряжений и сил тока

Рисунок 2.11 - Схема для измерения напряжений и сил тока

Рисунок 2.12 - Схема для измерения напряжений и сил тока

Динамическое или дифференциальное сопротивление вычисляется по формуле:

(2.3)

где ∆𝑈 – разность границ значений напряжения, в которых находится рабочая точка, В;

∆𝐼 – разность границ значений тока, в которых находится рабочая точка, А.

Таким образом, ниже представлены вычисления динамического сопротивления по формуле 2.3 в рабочих точках I_пр = 4 мА, I_пр = 0,4 мА, I_пр = 0,2 мА и в точке U_об = -5 В.