Metodichka_EiE_LR

його ВАХ (див. рис. 6.1), легко визначити графічним методом. Статичний опір знаходиться як

де mU та mI — масштаби напруги та струму відповідно;

— кут між прямою, проведеною через точку початку координат та точку А, та віссю ординат.

Рисунок 6.1 – Визначення RСТ та Rд за ВАХ нелінійного елемента для точки

А

Динамічний опір визначається як

де U та I — скінчені прирости напруги та струму в околі точки А;

— кут між дотичною до ВАХ у точці А та віссю ординат.

6.2.2 Розглянемо послідовне з’єднання нелінійного та лінійного резистивних елементів. Параметри еквівалентного кола визначаються за результатом графічного аналізу його ВАХ. Принцип побудови еквівалентної ВАХ для послідовного кола з двома нелінійними елементами (рис.6.2) видно з рис.6.3. За допомогою ВАХ I (U ) графічно задається струм у колі I для

певного значення вхідної напруги Uac , а потім за наявності ВАХ елементів

на окремих нелінійних елементах (рис.6.3).

Рисунок 6.2 – Схема кола з послідовним з’єднанням двох нелінійних елементів

Рисунок 6.3 – Вольт-амперні характеристики нелінійних елементів та еквівалентного послідовного кола

Для аналізу кіл, які методом еквівалентних перетворень можуть бути зведені до послідовного включення двох елементів, застосовується метод перетину характеристик.

Для кола з двох елементів (рис.6.2) справедливі співвідношення:

Якщо ВАХ елементів відомі (рис.6.3), значення струму, яке задовольняє наведеній вище системі рівнянь, може бути легко знайдене графічно. Для цього початкову ВАХ одного з елементів дзеркально відображають відносно осі струмів та її початок зсувають по осі напруг на величину вхідної напруги кола (рис.3.4). Точка перетину початкової ВАХ

одного та перетвореної ВАХ другого елементів дасть шуканий струм I та падіння напруг UR1 та U R2 .

Рисунок 6.4 – Аналіз методом перетину ВАХ кола з послідовним з’єднанням двох нелінійних елементів

6.2.3 Розглянемо паралельне з’єднання нелінійного та лінійного резистивних елементів. Принцип побудови еквівалентної ВАХ при паралельному з’єднанні елементів наступний. Хай аналізується коло з паралельним з’єднанням двох нелінійних елементів (рис.6.5). Для нього графічним шляхом визначається ВАХ еквівалентного кола (рис.6.6). За допомогою ВАХ I (U ) графічно задається напруга U для певного значення

вхідного струму у колі I , а потім визначаються струми у гілках IR1( I ) I1 та IR2 ( I ) I2 , які відповідають заданій напрузі U (рис.6.6).

Рисунок 6.5 – Схема кола з паралельним з’єднанням двох нелінійних елементів

Рисунок 6.6 – Вольт-амперні характеристики нелінійних елементів та еквівалентного паралельного кола

6.2.4 В роботі здійснюється апроксимація ВАХ нелінійного елемента з отриманням найбільш відповідної їй аналітичної функції. Апроксимуючою може бути, наприклад, показникова функція

Сталі A та n визначаються розв’язанням двох рівнянь, отриманих при підстановці до наведеного вище рівняння значень струму та напруги у двох точках ВАХ нелінійного елемента, які вибираються на межах інтервалу апроксимації.

Напівпровідниковий діод – це електронний пристрій з p-n-переходом та металевими виводами с кожного боку. Графічне зображення напівпровідникового діода та графік зміни потенціалу на p-n-переході у випадку, коли до діода не підключено джерела живлення зображено на рис.

6.7.

Рисунок 6.7 – Умовне зображення напівпровідниковий діод, p-n-перехід із збідненим шаром та зміна потенціалу.

Як тільки перехід сформовано, деяка частка вільних електронів з області n-типу біля границі переходить в область р-типу і заповнює деяку частку дірок в р-області. На місці електронів залишається область з некомпенсованим позитивним зарядом. Такий самий процес проходить в області р-типу, де виникає негативний заряд. Ці заряди створюють потенціальний бар’єр, який перешкоджає подальшому переміщенню електронів через перехід, завдяки чому створюється рівновага. В результаті такого начального переміщення дірок та вільних електронів біля p-n- переходу практично не залишається вільних носіїв заряду. Ця області, ширина якої біля одного мікрону, має назву збіднений шар.

Якщо до p-n-переходу підключити зовнішнє джерело постійної напруги, то потенціальний бар’єр збідненого шару збільшується чи зменшується в залежності від полярності поданої напруги (зміщення).

а)

б)

Рисунок 6.8 – Пряме та зворотне зміщення напівпровідникового діода

На рис. 6.8 а зображене зворотне зміщення напівпровідникового діода. У цьому випадку потенціальний бар’єр збільшується, а збіднений шар розширюється. Пряме зміщення напівпровідникового діода зображене на рис. 6.8б, коли потенціальний бар’єр зменшується, а збіднений шар – звужується. При зворотнім зміщенні через перехід протікає дуже маленький струм, для кремнієвого діода настільки малий (біля 1 нА), що на практиці його значенням найчастіше нехтують. Коли ж перехід зміщено у прямому напрямку, потенціальний бар’єр знижується. Рівновага порушується і деяка частка електронів з n-області та дірок з р-області тепер здатні пересікти перехід. Чим більше напруга прямого зміщення, тим нижчим є потенціальний бар’єр, тим більша кількість електронів і дірок проходить через збіднений шар і, таким чином, виникає струм, що протікає через перехід.

При збільшенні електрорушимої сили прямого зміщення, опір переходу зменшується із-за зниження потенціального бар’єру. В результаті цього невелике збільшення напруги прямого зміщення визиває значне збільшення струму. Пряма та зворотня ВАХ напівпровідникового діода зображені на рис. 6.9 а, та 6.9 б.

I I

Рисунок 6.9 – Вольтамперна характеристика ідеального p-n-переходу (а) і реального діода (б)

Таким чином, струм може вільно протікати через діод в одному напрямку, а в іншому напрямку діод має вигляд майже безкінечного опору.

При зворотнім зміщенні діод являє собою ізолятор, подальше збільшення прикладеної напруги призводить до ситуації, коли діод починає проводити (рис. 6.9 б). Це трапляється у зв’язку з електронами теплового походження. Процес наростання струму носить лавинний характер, в результаті чого виникає перегрів p-n-переходу і, якщо не обмежити струм,

діод вийде з ладу. Лавинний пробій може трапитись при U ïðîá від 5В до 1000В в залежності від типу діода.

При складанні електричних кіл використовується напівпровідниковий діод, резистори R1=5 Ом та R2=20 Ом, джерело живлення, в якості якого використовується джерело постійної напруги, що регулюється напругою, два вимикача. Для вимірювання напруг використовується вольтметр постійного струму, а струмів – амперметр постійного струму.

6.3 Порядок виконання роботи

Лабораторна робота включає експериментальне дослідження ВАХ напівпровідникового діода, послідовного, паралельного та мішаного з’єднання напівпровідникового діода з резисторами, графічний розрахунок напруг та струмів у гілках для заданого викладачем значення напруги на вході кола, а також побудову теоретичної ВАХ напівпровідникового діода методом апроксимації.

6.3.1 Експериментальні дослідження

Вибрати тип діода згідно з номером бригади (табл.. 5.1)

Таблиця 5.1 – Типи досліджуваних діодів

6.3.1.1 Зібрати електричне коло (рис.6.10) для дослідження ВАХ напівпровідникового діода при прямому увімкненні для чого ключ SA1 замкнути, а ключ SA2 розімкнути.

Рисунок 6.10 – Схема дослідження ВАХ нелінійного елемента

Напругу джерела живлення встановити 1В. Натискуючи клавішу А змінювати значення напруги від 0 до 1В з кроком 0,1 В та записувати до табл.6.2 отримані значення струму.

Таблиця 6.2 – Результати дослідження ВАХ нелінійного елемента

Натискуючи клавішу «Пробіл» («Space») перемикнемо діод з прямого брела живлення увімкнення на зворотнє. Встановити напругу джерела живлення 10В. Змінюючи значення напруги від 0 до 10В з кроком 1В записати до табл. 6.3 отриманні значення струму.

Таблиця 6.3 – Результати дослідження ВАХ нелінійного елемента

Значення напруги пробою для діодів, що використовуються в лабораторній роботі коливається від 75В до 1100В в залежності від типу діода.

За даними табл.6.2 та 6.3 побудувати ВАХ діода.

Графічно визначити струм у колі та напругу на лінійному елементі та діоді при їх послідовному з’єднанні (рис.6.11). Величина напруги на вході кола задаються викладачем. Результати розрахунку занести до табл.6.4 в графу «розрахунок».

Зібрати електричне коло (рис.6.11) та виміряти струм та напруги U1 та U2 . Результати досліду записати до табл.5.3 в графу «дослід». Порівняти отримані результати розрахунку та досліду.

Рис.6.11 – Схема дослідження послідовного з’єднання резистора та нелінійного елемента

Таблиця 6.4 – Результати дослідження послідовного з’єднання резистора та нелінійного елемента

6.3.1.2 Графічно визначити вхідний струм та струми у гілках кола при паралельному з’єднанні резистора та діода. Величина напруги на вході кола

задаються викладачем. Отримані результати занести до табл.6.5 до графи «розрахунок».

Зібрати електричне коло (рис.6.12) та виміряти струми I , I1 , I2 .

Результати досліду занести до табл.5.3 до графи «дослід». Порівняти отримані результати розрахунку та досліду.

Рис.6.12 – Схема дослідження паралельного з’єднання резистора та діода