Требования по технике безопасности

При работе с компьютером должны соблюдаться следующие правила:

Электрооборудование ВЦ относится к установкам напряжением до 1000 В. В помещении машинного зала основными техническими средствами, обеспечивающими безопасность работ, являются:

• заземление;

• зануление;

• отключение.

Защитным заземлением называется намеренное соединение нетоковедущих частей, которые могут случайно оказаться под напряжением, с заземляющим устройством.Заземлению подлежат корпуса ЭВМ, трансформаторов, металлические оболочки кабелей и проводов, металлические ограждения.

Для электроустановок с напряжением до 1000 В сопротивление заземляющего устройства должно быть не менее 10 Ом

Занулением называется намеренное соединение нетоковедущих частей, которые случайно могут оказаться под напряжением, с многократно заземленным нулевым проводом.

Защитный эффект зануления заключается в уменьшении длительности замыкания на корпус, а следовательно, в сокращении времени воздействия электрического тока на человека.

Защитное отключение — система защиты, автоматически отключающая электроустановку при возникновении опасности поражения электрическим током.

Для участка персональных компьютеров наиболее приемлемым вариантом является защитное заземление, т.к. корпуса компьютеров и периферии обычно выполнены не из токопроводящих материалов, а также имеются специальные клеммы для подключения заземления.

Регламентирование перерывов при работе с ПЭВМ.

При работе с разрабатываемой системой, для обеспечения оптимальной работоспособности и сохранения здоровья, на протяжении рабочей смены должны соблюдаться регламентированные перерывы. При 8-ми часовой рабочей смене и работе на ВДТ (видеодисплейные терминалы) и ПЭВМ, регламентированные перерывы следует устанавливать через 2 часа от начала рабочей смены и через 2 часа после обеденного перерыва продолжительностью 15 минут каждый, так чтобы суммарное время перерывов было не менее 30 мин.

Продолжительность непрерывной работы с ВДТ без регламентированного перерыва не должна превышать 2 часов. Во время регламентированных перерывов с целью снижения нервно-эмоционального напряжения, утомления зрительного анализатора, устранения влияния гиподинамии и гипокинезии, предотвращения развития познотонического утомления целесообразно выполнять комплексы упражнений. Работающим с ПЭВМ с высоким уровнем напряженности во время регламентированных перерывов и в конце рабочего дня показана психологическая разгрузка в специально оборудованных помещениях (комната психологической разгрузки).

Содержание отчета по лабораторным работам

Отчет должен содержать:

1. Цель лабораторной работы.

2. Краткое теоретическое введение.

3. Исследуемые схемы.

4. Полученные графики.

5. Расчеты всех параметров в соответствии с пунктами выполнения работ.

6. Таблицы результатов.

7. Выводы.

Лабораторная работа №1

«Полупроводниковые диоды»

1.1 Цель работы:

Исследование полупроводникового диода с использованием пакета Electronics Workbench.

1.2 Теоретическая часть

Комбинация двух полупроводниковых слоев с различным типом проводимости (р - дырочной и n - электронной) обладает выпрямляющими свойствами : она гораздо лучше пропускает ток в одном направлении, чем в другом. Полярность напряжения, соответствующая большим токам, называется прямой, а меньшим – обратной. Обычно пользуются терминами прямое и обратное напряжение, прямой и обратный ток. Поверхность, по которой контактируют р- и n- слои, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объёмных зарядов - электронно-дырочным переходом.

Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами (коэффициент плавности перехода m=0,5, в EWB 5.0 имеет обозначение М) называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся дырки, а по другую - электроны. Такие переходы наиболее просты для анализа и поэтому все реальные переходы стараются, если это возможно рассматривать как ступенчатые.

Плавными переходами (m=0,333) называют такие, у которых в области металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа — растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству концентраций примесей. Все реальные р-п-переходы — плавные, степень их приближения к ступенчатым зависит от градиента эффективной концентрации в районе металлургической границы.

По соотношению концентраций примесей в р- и п-слоях переходы делятся на симметричные, несимметричные и односторонние. Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники. Основное распространение имеют несимметричные переходы, у которых концентрации не одинаковы. В случае резкой асимметрии, когда концентрации примесей (а значит, и основных носителей) различаются на один-два порядка и более, переходы называют односторонними.

Вольтамперная характеристика р - n перехода описывается выражением:

I=I_о[ехр (U/U_t)-1] ,

где I - ток через переход при напряжении U, I_о - обратный ток, U_t – температурный потенциал перехода, равный при комнатной температуре 26мВ.

Рис. 1 Реальные вольт-амперные характристики германиевого (Ge) и кремниевого (Si) диодов при разной температуре

На рис.1 представлены реальные вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диода. В области очень малых прямых напряжений, пока не скомпенсирован потенциальный барьер, ток настолько еще мал и так медленно растет, что его не показывает миллиамперметр в схеме для снятия характеристик и его невозможно отложить на графике в масштабе, выбираемом для построения прямой ветви. Поэтому реальная характеристика в прямом направлении начинается не из 0, а при некотором напряжении, называемом пороговым. Пороговое напряжение U_пор составляет десятые доли вольта; для кремниевого диода оно больше, чем для германиевого; с повышением температуры пороговое напряжение уменьшается. Абсолютная величина сдвига прямой ветви характеристики кремниевых диодов при изменении температуры меньше, чем у германиевых.

Обратные ветви характеристик кремниевого и германиевого диодов сильно отличаются от теоретических характеристик р-п перехода и друг от друга. Это объясняется тем, что величина обратного тока в реальных условиях определяется не только тепловым током, но также током утечки по кристаллу и другими факторами. Ток утечки зависит от обратного напряжения и почти не зависит от температуры, а тепловой ток, наоборот, зависит только от температуры. У германиевых диодов обратный ток определяется главным образом тепловым током, поэтому он сильно растет с повышением температуры и мало зависит от U_обр. При данной температуре I_обр только на начальном от 0 участке резко возрастает; как было сказано, это происходит из-за уменьшения тока диффузии основных носителей заряда, протекавшего при прямом напряжении. У кремниевых диодов величина I_обр определяется током утечки, так как тепловой ток значительно меньше. Поэтому с увеличением U_обр у них равномерно растет I_обр, начиная с нуля.

С повышением температуры у германиевых диодов пробивное напряжение резко падает, а у кремниевых немного увеличивается.

Если к переходу подключить обратное напряжение, то при определенном его значении переход пробивается. Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, а третий — с увеличением рассеиваемой мощности и, соответственно, температуры.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. "просачивание" электронов сквозь тонкий потенциальный барьер перехода. В основе лавинного пробоя лежит "размножение" носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей полупроводника. В результате рождается новая пара электрон—дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением. Явление пробоя находят практическое применение в стабилитронах — приборах, предназначенных для стабилизации напряжения.

В основе теплового пробоя лежит саморазогрев перехода при протекании обратного тока, с ростом температуры обратные токи резко возрастают, соответственно увеличивается мощность, рассеиваемая в переходе; это вызывает дополнительный рост температуры и т.д. Как правило, тепловой пробой не имеет самостоятельного значения; он может начаться лишь тогда, когда обратный ток уже приобрёл достаточно большую величину в результате лавинного или туннельного пробоя.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

прямое напряжение U_пр — значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;

обратный ток I _обр — значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

сопротивление диода в прямом направлении

R_пр=U_пр/I_пр

оно составляет единицы и десятки ом;

сопротивление диода в обратном направлении

R_обр=U_обр/I_обр

оно составляет единицы мегаом;

дифференциальное сопротивление диода r_диф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока

r_диф=∆U/∆I

Прямое и обратное сопротивления — это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление—это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольт-амперной характеристики к оси абсцисс.

Одним из достоинств Electronics Workbench является возможность смоделировать ситуации, возникающие при самых различных уровнях приборной оснащённости исследователя, и освоить методики измерения, соответствующими этим уровням. Рассмотрим эти ситуации на примере измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода.

Можно иметь всего лишь универсальный прибор – мультиметр (тестер), но и в этом случае можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника.

Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме рис. 1.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения:

I_пр=(Е-U_пр)/R (1.1)

где I_пр - ток диода в прямом направлении,

Е - напряжение источника питания, U_пр - напряжение на диоде в прямом направлении.

Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 1.1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении

I_об=(Е-U_об) /R (1.2)

где I_об - ток диода в обратном направлении,

U_пр - напряжение на диоде в обратном направлении.

Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если Вы хотите получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение в схеме рис.1.1, а затем ток в схеме рис. 1.2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр.

рис. 1.1 рис. 1.2

Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если у Вас имеется и вольтметр и амперметр. Тогда, включив их по схеме рис. 1.3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов. Вольтамперная характеристика (ВАХ) может быть получена путём измерения напряжения на диоде при протекании различных токов за счёт изменения напряжения источника питания V_s.

И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая её на экране осциллографа (рис. 1.4).

Параметры генератора: - частота (freguency) – 850 Гц;

- длительность (duty circle) – 50%;

- амплитуда (amplitude) – 1 В;

- смещение (offset) – 0.

Параметры осциллографа: Тimе bаsе (1.00 ms/div ; В/А) Тriggег (Аutо)

Сhаnnеl А (200 mv/div ; DС) Сhаnnеl В (1 mv/div ; DС)

рис. 1.3

рис. 1.4

При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной оси - току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/1=U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение(канал А) - по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.

Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.