МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ Компьютерная электроника-Новая_copy

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Еквівалентні схеми діода показані на мал. 1.6, а, б, на яких позначено: А

– анод, К – катод, І – джерело струму, Rs – об’ємний опір, С – ємність переходу , Gmin – провідність, обумовлена струмом утічки.

Мал. 1.6. Еквівалентна схема діода.

Вольтамперна характеристика діода визначається наступними виразами:

для прямої вітки :

для зворотної вітки :

Де І0=Іs – зворотній струм діода при температурі TNOM ; N– коефіцієнт інжекції; BV, IBV – напруга і струм пробою; Ut – температурний потенціал переходу; U– напруга на діоді.

При розрахунку перехідних процесів використовуються еквівалентна схема діода (мал. 1.6,б) для якої ємність переходу визначається за допомогою виразів:

21

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

В приведених формулах t – час переносу заряду; CJO – бар’єрна ємність при нульовому зміщені на переході; VJ – контактна різниця потенціалів; m – 0,33…0,5 – параметр переходу.

Дослідження прямої вітки ВАХ діод може бути проведено за допомогою схеми мал. 1.7. Вона складається із джерела струму І, амперметра А (можна обійтись і без нього, оскільки струм в амперметрі точно рівний заданому ), досліджуваного діода VD і вольтметра V для вимірювання напруги на діоді.

Мал. 1.7. Дослідження прямої вітки ВАХ діода;

Для дослідження зворотної вітки ВАХ діода використовується схема на мал. 1.8. В ній замість джерела струму використовується Ui із запобіжним резистором Rz для обмеження струму через діод в разі його пробою.

Мал. 1.8. Дослідження зворотної вітки ВАХ діода;

Крім поодиноких діодів, в бібліотеці EWB є також діодний міст, для якого можна додатково задавати коефіцієнт емісії N (Emission Coefficient).

Мал. 1.9. Вибір типу діода;

22

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Мал. 1.10. Визначення параметрів діода

Мал. 1.11. Додаткові параметри діода;

На мал. 1.9-11 приведений приклад створення моделей вітчизняних діодів:

D814AD (Is=3920E-12 N=1.19 RS=1.25 Cjo=41.5p TT=49.11n M=0.41 Vj=0.73 FC=0.5 BV=8 IBV=0.5 EG=1.11 Xti=3); KD512AD (Is=2.27E-13 N=1 RS=1.17 Cjo=2.42p TT=1.38n M=0.25 Vj=0.68 FC=0.5 BV=8 IBV=1E-11 EG=1.11 Xti= 3)

Порядок виконання роботи

8.Зберіть в програмі Electronic Workbench послідовно схеми мал.1.12-1.15.

9.Для кожної схеми мал.1.12-1.15 зробить графік залежності струму від поданої напруги ВАХ.

10.Проаналізуйте отримані дані. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Вивід термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.

11.При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.

12.Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.

13.Зробіть висновки.

23

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Електронні схеми для дослідження роботи діодів.

Рис. 1.12 – Схема для визначення зворотної гілки ВАХ.

Рис. 1.13 – Схема для визначення прямої гілки ВАХ .

Рис. 1.14 – Пряме ввімкнення діода.

Рис. 1.15 – Зворотнє ввімкнення діода;

24

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Питання і завдання для повторення:

7.1.Як побудований напівпровідниковий діод?

7.2.Які типи p-n переходів Ви знаєте ?

7.3.Перерахуйте складові ємності p-n переходу?

7.4.Назвіть і коротко охарактеризуйте типи напівпровідникових діодів?

7.5.Як виникає р-n перехід при ідеальному контакті напівпровідників з різним типом електропровідності.

7.6.Намалювати схему і пояснити спосіб зняття ВАХ діодів за допомогою амперметра і вольтметра.

7.7.Намалювати схему і пояснити спосіб зняття ВАХ діодів за допомогою осцилографа.

7.8.Пояснити роботу р-n переходу при прямому і зворотному включенні.

7.9.Чим відрізняються ВАХ ідеального р-n переходу і реального діода.

7.10.Намалювати ВАХ стабілітрона і визначити робочу ділянку ВАХ при стабілізації напруги.

25

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Лабораторна робота № 4. Дослідження напівпровідникового стабілітрона.

Мета: Вивчення принципів дії та основних властивостей напівпровідникових стабілітронів; дослідження їх вольтамперних характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням.

Програмне забезпечення: програмне забезпечення комп'ютерного моделювання електронних схем (програма Electronic Workbench).

Основні теоретичні відомості

Стабілітрон - напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою при зворотному змішанні слабо залежить від струму в заданому його діапазоні. Стабілітрони призначені для стабілізації напруги.

У напівпровідникових стабілітронах використовується властивість незначної зміни зворотної напруги на р-n - переході при електричному (лавинному або тунельному) пробої рис. 4.1. Це пов'язано з тим, що невелике збільшення напруги на р-n - перехід в режимі електричного пробою викликає більш інтенсивну генерацію носіїв заряду і збільшення зворотного струму. Ділянка 1-2 рис. 4.1 є робочим ділянкою вольтамперной характеристики.

Мал. 4.1 - Вольтамперна характеристика напівпровідникового стабілітрона.

Основним параметром стабілітрона є напруга стабілізації Ucт, що дорівнює напрузі пробою. Шкала напружень біля промислових стабілітронів лежить в межах 3-180 В.

26

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

Точка 1 на характеристиці відповідає мінімальному струму стабілітрона 1ст.min, при якому настає пробій. Точці 2 відповідає максимальний струм стабілітрона Iст.max, досягнення якого ще не загрожує тепловим пробоєм р -n- переходу. Iст.max обмежується величиною максимальної потужності розсіювання Рmax.

Параметром, що характеризує нахил робочої ділянки характеристики, є динамічний опір стабілітрона Показником залежності напруги стабілізації від температури служить температурний коефіцієнт напруги стабілізації (ТКН) Він визначає зміна напруги стабілізації при зміна температури навколишнього середовища на 1 ° С, виражене у відсотках. Для кремнієвих стабілітронів ТКН може бути позитивним і негативним. При тунельному характері пробою ТКН має позитивний знак, а при лавинному - негативний знак. Для зменшення ТКН послідовно зі стабілітроном включають напівпровідникові діоди, мають протилежний знак ТКН.

Напівпровідникові стабілітрони застосовуються в основному в стабілізаторах напруги.

Параметри стабілітронів

1. Напруга стабілізації – номінальне значення напруги на стабілітроні при заданому зворотному струмі стабілітрона в області пробою. Напр уга стабілізації, приблизно, дорівнює напрузі пробою. У стабілітронах напругою стабілізації до 7 В використовується тунельний пробій, а з напругою стабілізації більше 15 В - лавинний пробій.

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

2. Диференціальне динамічний опір стабілітрон – rст

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

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, диференційна провідність різко зростає (рис. 4.3). Згідно (4.1) та (4.2) rст зменшується з ростом струму

стабілітрона. Чим менше rст , тим вище ступінь стабілізації напруги.

ТКН; Zст,Ом

1/К

ТКН

10 -3 400

300

Zст

0,5·10-3 200

100

-0,5·10-3

Мал.4.2. Характер залежності температурного коефіцієнта напруги стабілізації (ТКН) і динамічного опору від напруги стабілізації стабілітронів

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

Так як максимальним змінам струму повинні відповідати мінімальні зміни напруги, то величина Q для хороших стабілітронів повинна бути як можна більше. Для сучасних стабілітронів Q лежать у межах 20.. 100.

5. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації - ТКН – показує зміну напруги стабілізації від температури.

Залежно від виду пробою стабілітрона ТКН може бути позитивним або негативним. Якщо пробій тунельний, то ТКН негативний, а якщо пробій лавинний, то ТКН позитивний. Характер зміни ТКН для стабілітронів з різною напругою пробою показаний на рис.4.3. Для зменшення ТКН використовується послідовне включення двох або декількох стабілітронів з

28

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

ТКН з різним знаком. При позитивному ТКН послідовно зі стабілітронів можна включати p-n перехід в прямому напрямку. Такий спосіб компенсації використовується в прецизійних стабілітронах. У цих стабілітронах послідовно з основним p-n переходом у прямому напрямку включено два компенсуючих переходи. Прецизійні стабілітрони використовуються як еталонні джерела напруги (нормальних елементів) ІІ класу. Такі стабілітрони мають ТКН 0,01% / град, у той час як у звичайних він становить 0,05 - 0,09% / град.

На практиці середній ТКН визначається за формулою:

Мінімальний струм стабілізації обмежується шумами стабілітрону. При малих струмах пробій носить нестійкий характер, і ефективна напруга шумів на стабілітроні досягає декількох сотень мікровольт. З ростом струму пробій переходить у стійкий стан і шуми зменшуються.

Максимальний струм стабілізації обмежується допустимою потужністю 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.

Порядок виконання роботи

1.Зніміть пряму гілку ВАХ стабілітрону КS133А. Для цього зберіть в програмі Electronic Workbench схему досліджень стабілітронів (мал. 4.3). Перемикач П встановіть у положення "1".

29

http://lib.lntu.info/book/colleges/teh_lntu/2012/12-50/page1.html

http://toe.ho.ua/post/zad_03.html

http://rgr-toe.ru/articles/1-equivalent-transformations/

а) б)

Мал. 4.3. Схема для дослідження стабілітронів для а) прямої гілки та б) зворотної гілки ВАХ стабілітрона.

Змінюючи вхідний струм I, фіксуйте напругу на стабілітроні і струм через нього. Результати вимірювань занесіть у табл. 4.1.

Таблиця 4.1. Пряма гілка ВАХ стабілітрона КС133А

I , мА 0.1 0.2 0.4 0.5 1 5 10 20 40 60 100 110 120 150 200 220

Uст , В

I ст, мА

4.1Зніміть зворотну гілку ВАХ стабілітрона КS133А. Для цього підключіть джерело живлення E і мультиметри. Результати вимірювань занесіть у табл. 2.2.

Таблиця 4.2. Зворотна гілка ВАХ стабілітрона КС133А

4.2Зніміть пряму гілку ВАХ стабілітрона Д814А. Для цього перемикач П встановіть в положення 2. Змінюючи вхідну напругу, фіксуйте напругу на стабілітроні і струм через нього. Результати вимірювань занесіть у табл.

4.3.

Таблиця 4.3. Пряма гілка ВАХ стабілітрона Д814А

I , мА 0.1 0.2 0.4 0.5 1 5 10 20 40 60 100 110 20 150 200 220

Uст , В

I , мА

30