Электроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие

2. По номеру своего варианта для заданных в табл. 1.3 значений прямого и обратного напряжений в рабочей точке (Uр U0пр, U0обр)

вычислить сопротивления диодов по постоянному току (R0пр, R0обр) и дифференциальные сопротивления (Ri пр, Ri обр) для двух значений температуры:

где U и I – приращения напряжения и тока с центром в заданной рабочей точке (рис. 1.3).

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Работа выполняется на блоке «1А», принципиальная схема которого изображена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Принципиальная схема блока «1А»

Перед началом экспериментов следует по табл. 1.4 ознакомиться с основными справочными параметрами исследуемых диодов.

Указание! Перед включением лабораторного стенда регуляторы источников напряжений V1 и V2 установите в крайнее левое положе-

ние (min).

Отключите с помощью переключателей S2, S3, S4 все исследуемые диоды (положение «0»). Для подключения блока «1А» к источникам питания включите «Сеть» и на панели «Выбор блока» нажмите кнопку «1А». Загорится сигнальный светодиод.

Лабораторное задание

1. Снимите экспериментальные данные для построения прямых ветвей вольт-амперных характеристик исследуемых диодов при комнатной температуре

Iпр f (Uпр)t 25 С .

С этой целью установите переключатель S1 в положение «Пр±»; присоедините с помощью проводников к клеммам Х3, Х4 вольтметр с пределом измерения 2 В, а к клеммам Х1, Х2 в зависимости от величины тока подключите миллиамперметры с пределом измерения 200 мкА, 2 мА (начальный участок ВАХ) и 20 мА.

Поочерёдно ключами S2, S3, S4 подключайте к схеме кремниевый диод 1N4001, германиевый диод Д7Ж и диод Шоттки 1N5819.

Прямое напряжение Uпр выставляйте с помощью блока питания V1 по вольтметру. Отсчет тока Iпр производите по миллиамперметру.

На начальном участке ВАХ (0…0,5 В) напряжение меняйте с шагом ~0,1 В. Далее, до получения тока Iпр 20 мА, шаг можно увели-

чить. Для построения каждой ВАХ требуется не менее восьми экспериментальных точек.

2. Снимите экспериментальные данные для построения обратных ветвей ВАХ только германиевого диода и диода Шоттки при ком-

натной температуре

Iобр f (Uобр)t 25 С.

Переключатель S1 поставьте в положение «Обр »; к клеммам Х1, Х2 подключите микроамперметр с пределом 200 мкА. На начальном

12

участке от 0 до –0,2 В напряжение меняйте с шагом ~0,05 В. Далее до напряжения 14 В шаг можно увеличить так, чтобы получить еще 2-3 точки.

Важно! Отсчёт Iобр следует производить при отключённом от

схемы вольтметре, т. е. установите необходимое напряжение, отсоедините вольтметр и отсчитайте ток.

3. Снимите экспериментальные данные для построения ВАХ дио-

дов при температуре 60 С.

Включите термостат. Дождитесь загорания сигнального светодио-

да 60 С и произведите отсчеты для построения прямых и обратных ветвей ВАХ исследуемых диодов аналогично пп. 1 и 2.

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1.Построить совместно прямые и обратные ветви ВАХ при темпе-

ратуре 25 и 60 С для каждого из диодов на отдельном графике. Для наглядности допускаются различные масштабы осей прямой и обратной ветви.

2.По ВАХ рассчитать прямое сопротивление диодов по постоян-

ному току (R0пр Uпр / Iпр) в точке Iпр 10 мА, а также обратное сопротивление диодов по постоянному току (R0обр UобрIобр)в

точке Uобр 0,5Umax , где Umax – наибольшее экспериментальное об-

ратное напряжение.

3. Провести сравнение прямого и обратного сопротивлений диодов по постоянному току, т. е. рассчитать отношение R0прR0обр для

германиевого диода и диода Шоттки.

4. Сравнить сопротивления диодов по постоянному току между собой, т. е. рассчитать и проанализировать отношения

R0пр(Si)R0пр (Ge).

5. По прямым ветвям ВАХ, построенным для 25 и 60 С, в четырехпяти точках оси Uпр вычислить значения дифференциальных сопро-

тивлений кремниевого и германиевого диодов (см. рис. 1.3):

13

где U0 – четыре-пять значений прямого напряжения, которые являются центром небольших приращений Uпр и Iпр .

По результатам расчёта для обоих диодов построить на одном графике зависимости дифференциальных сопротивлений как функции

прямого смещения Ri f (Uпр).

5.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Предварительное задание.

2.Цель работы.

3.Паспортные данные исследованных диодов.

4.Графики ВАХ и зависимости дифференциального сопротивления

Ri f (Uпр) для исследуемых диодов при различных температурах. 5. Результаты сравнения сопротивлений диодов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Объясните механизм электропроводности собственных полупроводников. Как зависит их электропроводность от температуры?

2.Объясните механизм образования контактной разности потенциалов в p–n-переходе, ее связь с токами, протекающими через переход.

3.Назовите составляющие тока идеального p–n-перехода в равновесном состоянии. В каком соотношении они находятся между собой?

4.Объясните механизм протекания прямого тока через р–n- переход. Какие составляющие образуют прямой ток?

5.Как изменятся составляющие тока через p–n-переход при подключении обратного напряжения?

6.Что такое ВАХ диода, на каком участке ВАХ преобладает диффузионная, а на каком дрейфовая составляющая тока через p–n- переход?

7.В чем заключается основное свойство выпрямительного диода?

8.Как и почему различаются прямое и обратное сопротивление кремниевого и германиевого диодов?

14

9.Назовите причины различия ВАХ кремниевого и германиевого диодов.

10.Напишите аналитическое выражение ВАХ полупроводникового диода, объясните физический смысл входящих в него величин.

11.Поясните зависимость ВАХ диода от температуры.

12.Какими основными параметрами характеризуется работа выпрямительных диодов?

Литература: [1, с. 5–20, 27–3]; 2, с. 173–178, 190–193; 4, с. 73–97; 5, с. 52–68, 97–102].

15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СТАБИЛИТРОН

Цель работы

Ознакомиться с реальной вольт-амперной характеристикой стабилитрона, его основными электрическими параметрами, схемой включения в режиме стабилизации напряжения и анализом ее работы.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Стабилитроны и стабисторы – это полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в схемах стабилизации напряжения, ограничения амплитуды импульсов, а также в качестве источников опорного напряжения.

У стабилитрона рабочим является участок пробоя, т. е. резкого возрастания тока, на обратной ветви ВАХ (рис. 2.1). На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при значительном изменении протекающего тока. Физический механизм пробоя может быть туннельным (низковольтные стабилитроны), лавинным (высоковольтные стабилитроны) или смешанным.

Рис. 2.1. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона при различных температурах

16

У стабисторов в отличие от стабилитронов рабочим участком служит прямая ветвь ВАХ специальной более крутой формы. Поэтому стабисторы применяются в низковольтных стабилизаторах напряжения

(0,35...1,9 В).

Основные параметры стабилитронов

Номинальный ток стабилизации (Iстн) – значение постоянного

тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации. Напряжение стабилизации (Uстн) – значение напряжения стаби-

литрона при протекании номинального тока стабилизации.

Минимальный ток стабилизации (Iстmin) – значение тока стаби-

литрона, при котором возникает устойчивый пробой.

Максимальный ток стабилизации (Iстmax) – наибольший ток, при

котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона (Ri ) – диффе-

ренциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации стабилитрона, определяемое как отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации ( t ) –

отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном значении тока стабилизации.

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Постройте на одном графике обратные ветви ВАХ стабилитрона для двух значений температуры (рис. 2.2).

билизации при изменении температуры ( t) окружающей среды от 25

до 60 С при постоянном (номинальном) значении тока стабилизации

Iстн (рис. 2.2).

3. Вычислите для двух значений температуры сопротивление стабилитрона по постоянному току

и дифференциальное сопротивление

где Uст и Iст – приращения тока и напряжения относительно точки номинального режима (см. табл. 2.2).

Указание. Вычисление проводить по таблице и графику ВАХ. На графиках обязательно укажите необходимые приращения.

4. Определите коэффициент стабилизации (Kст ) стабилизатора напряжения (рис. 2.3) для t1 25 C:

Рис. 2.3. Схема стабилизатора напряжения

Коэффициент стабилизации показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения источника питания стабилизатора

dEE больше относительного изменения напряжения на подключённой параллельно стабилитрону нагрузке dUUстн .

Для этого на графике ВАХ по двум точкам постройте сначала одну нагрузочную прямую (рис. 2.4):

Iст [(1/ R2 1/ R3)]Uст Eн / R2,

19

Рис. 2.4. Пример построения нагрузочных прямых

Затем постройте вторую нагрузочную прямую, проходящую параллельно первой и пересекающую оси в точках

и

[Uст 0; Iст (Eн E)/ R2 ],

где E –изменениеноминальногонапряженияпитания,дановтабл.2.2. По графику (или таблице) найдите Uст, соответствующее изме-

нению напряжения питания стабилизатора на величину E, и вычислите Kст по формуле (2.4).

5. Вычислите коэффициент полезного действия стабилизатора в точке номинального режима по формуле

20