ОЕ 2014

1.1–1.4.

5.За даними табл. 1.1–1.2 побудуйте на одній масштабній сітці графіки вольт-амперних характеристик германієвого діода для кімнатної температури і температури +50 ºС.

6.За даними табл. 1.3–1.4 побудуйте на одній масштабній сітці графіки вольт-амперних характеристик кремнієвого діода для кімнатної температури і температури +50 ºС.

7.Зробіть висновки по роботі, оформіть звіт.

Вимоги до звіту з лабораторної роботи

Звіт (протокол) з лабораторної роботи повинен містити: мету роботи,

відповіді на контрольні питання, схему експериментальної установки, по-

рядок виконання роботи з необхідними таблицями, графіки ВАХ германіє-

вого і кремнієвого діодів при різних температурах, висновки по роботі.

11

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СТАБІЛІТРОНІВ

Мета роботи: вивчити основні фізичні закономірності, що визначають властивості та параметри стабілітронів, виміряти їх вольт-амперні характе-

ристики (ВАХ), провести порівняльний аналіз.

Рекомендована література: [1, 2, 4, 6, 8].

Короткі теоретичні відомості

Стабілітроном називається напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою при зворотному увімкненні слабо залежить від струму в заданому діапазоні і який призначений для стабілі-

зації напруги.

Стабілітрони працюють у режимі електричного пробою. Під дією сильного поля в області p-n-переходу зворотний струм різко зростає при малих змінах прикладеної напруги. Цю особливість ВАХ кремнієвого діо-

да в області пробою (рис. 2.1, а) використовують для стабілізації напруги,

а також фіксації напруг і струмів в схемах, звідси інша назва кремнієвих стабілітронів – опорні діоди.

12

Iст.max обмежений допустимою потужністю розсіювання Рmax і можливістю переходу електричного пробою в тепловий, який є необоротним. Мініма-

льний струм стабілізації Iст.min відповідає початку стійкого електричного пробою. При менших струмах в діоді виникають значні шуми, походження яких пов’язане з механізмом лавинного пробою (шуми в передпробійній області використовуються в спеціальних приладах – напівпровідникових генераторах шуму). Диференціальний опір rдиф характеризує якість стабілі-

зації і визначається кутом нахилу ВАХ в області пробою (він зростає із зростанням напруги стабілізації).

В основному стабілітрони застосовуються для стабілізації напруги.

Схема найпростішого стабілізатора напруги показана на рис. 2.2. Стабіліт-

рон приєднують паралельно навантаженню RН, а в загальне коло вмикають обмежувальний резистор R, що є функціонально необхідним елементом.

Рис. 2.2. Схема стабілізатора напруги Для схеми, наведеної на рис. 2.2, справедливе рівняння:

Iст E R RH Uст.

R RRH

З фізичної точки зору принцип стабілізації напруги в даній схемі по-

яснюється наступним чином. Збільшення напруги джерела живлення на величину ΔE призводить до збільшення загального струму в колі

I = IСТ+IН. Оскільки при зміні струму, що проходить через стабілітрон, на-

пруга на ньому залишається практично незмінною і рівною напрузі стабі-

14

лізації, то зміною струму навантаження IН можна знехтувати. Збільшення напруги джерела живлення на величину ΔE майже цілком відбудеться на обмежувальному резисторі R. При зменшенні напруги джерела живлення на величину ΔE загальний струм в колі зменшується, що призводить до зменшення струму, що проходить через стабілітрон. Якщо це зменшення не вийшло за межі стабілізації, то в цьому випадку при збереженні постій-

ної напруги на навантаженні напруга на резисторі R зменшиться на вели-

чину ΔE. Таким чином, наявність обмежувального резистора R в розгляну-

тій найпростішій схемі стабілізатора напруги є принципово необхідною.

Зміна опору навантаження при незмінній напрузі джерела живлення не призведе до зміни напруги на обмежувальному резисторі R, а викличе зміну струму, що проходить через стабілітрон.

Крім стабілізації постійної напруги, стабілітрони використовуються в стабілізаторах обмежувачами імпульсної напруги, в схемах випрямлення, в

якості керованих ємностей, шумових генераторів і елементів міжкаскадних зв’язків у підсилювачах постійного струму та імпульсних пристроях.

Параметри стабілітронів

1. Напруга стабілізації – номінальне значення напруги на стабіліт-

роні при заданому зворотному струмі стабілітрона в області пробою. На-

пруга стабілізації приблизно дорівнює напрузі пробою. У стабілітронах напругою стабілізації до 7 В використовується тунельний пробій, а з на-

пругою стабілізації більше 15 В – лавинний пробій.

В теперішній час розроблені стабілітрони на стабілізування напруги від одиниць до сотень вольт.

2. Диференційний динамічний опір стабілітрон – rст

rст dUст

dIст

15

Величина диференційного опору залежить від напруги стабілізації.

Мінімальне значення спостерігається у діодів з напругою стабілізації

7...10 В. Це пояснюється тим, що в цій області діють обидва механізми пробою. При переході в область лавинного пробою, тобто при збільшенні,

і в область тунельного пробою, тобто при зменшенні, диференційний опір різко зменшується. Чим менше rст , тим вище ступінь стабілізації напруги.

3. Опір постійному струму Rст Uст характеризує втрати в діоді у

Iст

даній робочій точці.

4. Критерій (коефіцієнт) якості стабілітрона Q – відношення статичного опору до диференційного при даному струмі стабілізації:

Q Rст dIст Uст .

rст dUст Iст

Критерій якості на відміну від диференційного опору характеризує не просто нахил ВАХ, а і його відношення до величини напруги стабілізації.

Оскільки максимальним змінам струму повинні відповідати мінімаль-

ні зміни напруги, то величина Q для хороших стабілітронів повинна бути якомога більша. Для сучасних стабілітронів Q лежить у межах 20…100.

5. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації (ТКН) – пока-

зує зміну напруги стабілізації від температури.

ТКН 1 dUст 100%.

Uст dT

Залежно від виду пробою стабілітрона ТКН може бути позитивним або негативним. Якщо пробій тунельний, то ТКН негативний, а якщо про-

бій лавинний, то ТКН позитивний. Характер зміни ТКН для стабілітронів з різною напругою пробою показаний на рис. 2.3.

16

тю розсіювання стабілітрона. У сучасних стабілітронів він становить від десятків міліампер до десятків ампер.

Напівпровідникові стабілітрони крім основного призначення в даний час знаходять широке застосування для обмеження постійної та імпульсної напруги, в якості елементів міжкаскадного зв’язку в електронних схемах,

як керовані ємності, шумові генератори і т.д.

Контрольні питання

1.Що таке напівпровідниковий стабілітрон?

2.Що називають пробоєм р-n-переходу?

3.Які існують види пробою р-n-переходу і в чому їх принципова різниця?

4.Які види пробою використовуються в стабілітронах?

5.Намалюйте вольт-амперну характеристику стабілітрона, вкажіть на ній ділянку стабілізації.

6.Поясніть принцип роботи найпростішої схеми стабілізації напруги.

7.Перерахуйте основні параметри стабілітронів.

8.Що таке ТКН і як він визначається?

9.Чим обмежений мінімальний та максимальний струми стабілізації?

10.Перерахуйте області застосування стабілітронів.

Підготовка до виконання лабораторної роботи

1. Вивчити теоретичні відомості і дати відповіді на контрольні запи-

тання.

Порядок виконання роботи

1. Зніміть пряму гілку ВАХ стабілітрона КС133А. Для цього зберіть схему досліджень стабілітронів (рис. 2.4). Перемикач П встановіть у поло-

ження 1.

18

пругу на стабілітроні і струм через нього. Результати вимірювань занесіть

у табл. 2.3.

Таблиця 2.3. Пряма гілка ВАХ стабілітрона КС147А

4. Зніміть зворотну гілку ВАХ стабілітрона КС147А. Для цього змі-

ніть полярність підключення джерела живлення і мультиметрів. Результати

вимірювань занесіть у табл. 2.4.

Таблиця 2.4. Зворотна гілка ВАХ стабілітрона КС147А

5. Зніміть пряму гілку ВАХ стабілітрона Д814Б. Для цього переми-

кач П встановіть у положення 3. Змінюючи вхідна напруга, фіксуйте на-

пругу на стабілітроні і струм через нього Результати вимірювань занесіть у табл. 2.5.

Таблиця 2.5. Пряма гілка ВАХ стабілітрона Д814Б

6. Зніміть зворотну гілку ВАХ стабілітрона Д814Б. Для цього змініть

полярність підключення джерела живлення і мультиметрів. Результати ви-

мірювань занесіть у табл. 2.6.

20