Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы электроники. Лабораторный практикум. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

_____________________________

ФГБОУ ВО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

Н. В. СУХАНОВА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2023

УДК 621.3 (075.8) ББК 32я7 С91

Научный редактор профессор В. С. КУДРЯШОВ

Р е ц е н з е н т ы:

зав. кафедрой математического обеспечения ЭВМ

Воронежского государственного университета проф. Г. В. АБРАМОВ;

канд. тех. наук Н. Р. БОБРОВНИКОВ

(ПАО «Автоматика»)

Печатается по решению

редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Суханова, Н. В.

Физические основы электроники. Лабораторный прак-

С91

тикум: учеб. пособие / Н. В. Суханова; Воронежский государственный университет инженерных технологий. - Воронеж: ВГУИТ, 2023. - 75 с. – Текст: непосредственный.

ISBN 978-5-00032-639-8

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО

подготовки выпускников по специальности 10.05.03 - «Информационная безопасность автоматизированных систем», направлениям 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств», 27.03.04 – «Управление в технических системах». Оно предназначено для закрепления теоретических знаний по дисциплинам блока Б1 «Дисциплины». Рассмотрены типовые лабораторные работы по исследованию и определению параметров полупроводниковых приборов, интегральных аналоговых схем.

2202010000 – 06

C ОК2 (03) – 2023

ISBN 978-5-00032-639-8 ©©Суханова Н. В., 2023

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

Без объявл.

ФГБОУ ВО «Воронеж. гос. ун-т инж. технол.», 2023

УДК 621.3 (075.8) ББК 32я7

От автора

Учебное пособие содержит лабораторные работы, выполняемые обучающимися при изучении курсов «Электроника и схемотехника» (направление 10.05.03), «Электронно-цифровые элементы и устройства» (направления 15.03.04 и 27.03.04) и других курсов с близкими названиями. Главная задача данного цикла лабораторных работ – предоставить обучающимся возможность практически изучить полупроводниковые приборы, а также простейшие устройства на их основе. Обучающиеся должны приобрести навыки работы с электронными схемами и закрепить материал, изученный теоретически [1].

Работы проводятся на лабораторном стенде «Физические основы электроники», который имеет источник питания с различной формой сигнала, активное поле включения аналоговых элементов, блок мультиметров и электронный осциллограф [5, 6]. Содержание и структура лабораторного практикума отражает и дополняет основные позиции курса и включает в себя нижеперечисленные работы.

1. Определение основных параметров диодов и стабилитро-

на по вольтамперным характеристикам.

2. Исследование тиристоров.

3. Исследование биполярного транзистора.

4. Исследование усилительных каскадов на биполярных тран-

зисторах.

5. Исследование полевого транзистора.

6. Исследование усилительного каскада на полевом транзисторе.

В пособии приводятся лабораторные работы, выполняемые на стенде. Основной материал излагается обучающимся на лекциях. Дополнительный теоретический материал обучающийся должен проработать по литературным источникам, список которых приводится в библиографии [1-10]. С этой целью при изучении какой-либо темы по учебному пособию или конспекту рекомендуется по памяти записать определения, формулы, начертить схемы, графики и ответить на вопросы для самопроверки с целью лучшего усвоения материала. После выполнения лабораторной работы обучающиеся составляют индивидуальные отчеты, которые содержат как результаты проверки индивидуальных заданий, так и результаты общих экспериментальных исследований.

Лабораторная работа № 1. Исследование диодов

Цель работы: исследование выпрямительного диода и

диода Шоттки. Работа выполняется в 2 этапа.

Краткие теоретические сведения

Первый этап. Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом ( p–n-переходом). Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например, для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Одним из свойств p-n-перехода является вентильное свойст- во, т. е. способность его изменять свое сопротивление протекающему под действием напряжения внешнего источника току в зависимости от направления этого тока. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n- перехода, называются вы- прямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока. Структура диода и его графическое изображение показаны на рис. 1, а.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного

p-n- перехода описывается известным уравнением:

)1(

eII ,

где I0 - обратный ток p–n-перехода; q - заряд электрона (1,6∙10 k - постоянная Больцмана (1,38∙10

–23

Дж/К); T - температура в

–19

Кл);

градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости представлено на рис. 1, б. Вольт-амперная характеристика имеет явно выра- женную нелинейность, что определяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое Rст и динамическое

= = =a

(дифференциальное) R

. Статическое сопротивление Rст, напри-

дин

мер, в точке А (рис. 1, б), определяется как отношение напряже- ния UA и тока IA, соответствующих этой точке:

ст

, (1)

где

- отношение масштабов по осям;a - угол между осью

ординат и прямой, идущей в точку А.

Если продолжить линейный участок прямой ветви вольтамперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку U0 - напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление R стка, где R

сравнительно велико от круто изменяющегося уча-

дин

мало.

дин

Под динамическим сопротивлением принято понимать отношение бесконечно малого приращения напряжения на диоде к соответствующему приращению тока (рис. 1, б). При бесконечно малом приращении напряжения прямая АВ превращается в касательную к ВАХ диода. Таким образом динамическое сопротивление в точке А:

R =

дин

= , (2)

гдеb - угол между касательной к ВАХ в рабочей точке А и осью ординат.

При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается. Если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника, и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением I

при заданных условиях охлажде-

пр.max

ния. Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то обратный ток сначала будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине U

начнет-

проб

ся его быстрое увеличение (рис. 2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n- перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

- обратимый (электрический пробой);

- необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора яв-

ляется нерабочим и недопустимым режимом. В паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение U

(напряжение лавинообразования), соответст-

проб

вующее началу пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно 0,5U

и определяет класс

проб

прибора по напряжению.

а б

Рис. 1. Полупроводниковые диоды: а - структура и изображение диода; б – ВАХ диода

Рис. 2. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода

Силовые диоды характеризуются системой статических, динамических и предельных параметров. К статическим пара- метрам относят:

статическое сопротивление диода Rст=U/I (рис. 1, б);

пр,ном

номинальное значение прямого тока I

номинальное значение обратного тока I

номинальное значение обратного напряжения U

номинальное значение прямого падения напряжения

;

напряжение отсечки U0.

пр,ном

обр,ном

;

обр,ном

Основные статические параметры диодов и стабилитронов, такие как пороговое напряжение U0, прямое падение напряжение Uпр, дифференциальное сопротивление R

, обратный ток I

диф

обр

напряжение стабилизации стабилитрона Uст, можно определить по вольт-амперной характеристике, снятой на постоянном или изменяющемся токе.

К динамическим параметрам относят:

дифференциальное сопротивление R

скорость нарастания прямого тока di/dt ;

скорость нарастания обратного напряжения dU/dt;

диф

;

время восстановления обратного напряжения t

предельную частоту f

max

вост

;

В переходных режимах работы диода определяются динамические параметры. Переключение диода из закрытого состояния в открытое происходит не мгновенно. Это можно наблюдать на экране осциллографа, если приложить к диоду напряжение прямоугольной формы высокой частоты ( рис. 3).

Порядок выполнения работы

Опыт 1. Регистрация прямой и обратной ветвей диода.

1. Перед выполнением работы ознакомиться с краткой тео-

рией и описанием лабораторного комплекса по физическим основам электроники (приложение).

2. Собрать схему (рис. 4), подключить клемму 1 к гнезду источника питания «+» с ручкой регулировки, клемму 2 - к «0» (черные гнезда в модуле питания).

а б

Рис. 3. Схема (а) и осциллограммы (б), характеризующие частот-

ные характеристики диода

Рис. 4. Прямая полярность

3. Подключить стенд к сети, включить вводной автомат и

источник питания.

4. Увеличивая с помощью ручки напряжение источника пи-

тания, занести показания амперметра и вольтметра в табл. 1. Построить по полученным значениям прямую ветвь ВАХ диода.

5. Выкрутить ручку регулировки до упора против часовой стрелки, уменьшая напряжение источника питания. Выключить источник питания. Собрать схему (рис. 5) для построения обратной ветви ВАХ диода.

6. Увеличивая с помощью ручки напряжение источника питания, занести показания амперметра и вольтметра в табл. 1. Построить по полученным значениям обратную ветвь ВАХ диода.

7. Выключить источник питания.

8. Определить для нескольких точек на прямой и обратной

ветви статическое и динамическое сопротивления диода по формулам (1) и (2).

Рис. 5. Обратная полярность

9. Проанализировать результаты, сделать выводы.

Таблица 1

UПрямая

ветвь

UОбратная

10. Снять двумя способами (на постоянном и на переменном токе с помощью осциллографа) вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов (типа КД226, 1N5408) и стабилитрона (типа КС456).

Опыт 2. Регистрация прямой и обратной ветвей стаби-

литрона на постоянном токе

1. Ознакомиться с краткой теорией.

2. Собрать цепь согласно принципиальной схеме (рис. 4), заменив диод на стабилитрон КС456, а резистор 680 Ом на 100 Ом. После проверки схемы преподавателем подать питание на панель выключателем «СЕТЬ».

3. Подключить стенд к сети, включить вводной автомат и источник питания.

4. Увеличивая с помощью ручки напряжение источника пи-

тания, занести показания амперметра и вольтметра в табл. 1. Построить по полученным значениям прямую ветвь ВАХ стабилитрона.

Примечание: Обратный ток не должен превышать 120 мА!

1 / 81 2 3 4 5 6 7 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]