Лабораторная работа № 2. Исследование работы стабилитрона

Цель работы : изучение физических принципов работы стабилитрона; исследование статических, динамических характеристик стабилитронов; ознакомление с методами и аппаратурой для определения и проверки параметров стабилитронов; обучение расчета рабочего режима стабилитрона.

Оборудование и программное обеспечение : лабораторный стенд с полупроводниковым диодом, мультиметр (2 шт), источник питания постоянного тока, генератор НЧ, осциллограф , программное обеспечение Electronics WorkBench (EWB) , MathCAD.

Основная литература

6. Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие для студ. неэлектротехн. спец./ И.А.Данилов, П.М.Иванов. – 5-е изд. стер. – М.: Высш. шк., 2004. – 752 с.

7. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учебник. 4-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2006. – 496 с.

8. Кирьянов Д.В. MathCAD 13 . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 608с.: ил.

9. Васильев А.Н. MathCAD 13 на примерах . - СПб.: БХВ – Петербург. 2006г. – 528с.: ил.

10. Кардашев, Г. А., Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств . - М. : Горячая линия - Телеком , 2002 . - 260 с

Теоретические сведения

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики.

Пример ВАХ стабилитрона и его схематическое изображение в электрических схемах показаны на рис. 2.1

а)	б)
Рис. 2.1. ВАХ Стабилитрона и его схематичное изображение

При прямом включении стабилитрон ведет себя как обычный диод. При обратном включении на обратной ветви ВАХ образуется участок, на котором большие изменения тока через переход вызывают небольшие изменения напряжения. Такое напряжение называется напряжением стабилизации.

Диоды, имеющие такую ВАХ, называются стабилитронами, или опорными диодами, так как они используются для стабилизации напряжения.

Назначение стабилитронов - стабилизация напряжения; у современных стабилитронов напряжение стабилизации доходит до нескольких сотен вольт, а ток до десятков ампер, при этом дрейф напряжения может быть не более 0,1 В.

Конструкция стабилитронов та же, что и у выпрямительных диодов; у тех и у других выбор корпуса связан с мощностью рассеяния. Участок "аб" (см. Рис 2.1) для стабилизации напряжения: большим изменениям, тока (от до ) соответствуют незначительные изменения напряжения ( ).

Максимальный ток ограничивается допустимой мощностью рассеяния, а минимальный ( ) соответствует началу устойчивого электрического пробоя. При меньших значениях тока стабилитрона он может служить источником шумов (используется в генераторах шумов).

В пределах "аб" сопротивление стабилитрона изменяется при изменении тока через него, а напряжение при этом остается почти постоянным. После точки "б" стабилитрон переходит в режим теплового пробоя, при этом в нем идут необратимые процессы и структура диода разрушается. В режиме теплового пробоя стабилитрон имеет участок на ВАХ с отрицательным динамическим сопротивлением.

Напряжение стабилизации зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, - лавинный и туннельный пробой p-n перехода.

Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации Uстаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: > 8 В.

Приборные характеристики стабилитронов:

1. Напряжение стабилизации , которое практически совпадает с напряжением пробоя диода;

2. Динамическое (или дифференциальное) сопротивление диода на рабочем участке характеризует качество стабилизации напряжения

;

3. Статическое сопротивление в рабочей точке

;

4. Коэффициент качества

5. Минимальный и максимальный токи стабилизации;

6. Температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации

;

7. Максимальная рассеиваемая мощность

Напряжение стабилизации зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, - лавинный и туннельный пробой p-n перехода.

Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации невелико и составляет величину менее 5 вольт: < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: > 8 В.

Для получения более высокого стабилизированного напряжения необходимо последовательно соединять необходимое количество стабилитронов.

Схема включения стабилитрона

Схема включения стабилитрона представлена на рис 2.2.

Рис 2.2. схема включения стабилитрона

Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться входным резистором R_огр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резистора должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки РТ (см. рис. 2.1). Резистор включается в цепь для создания более точных условий начала стабилизации (в том числе и температурных), но при небольшом создаваемом напряжении стабилизации данный резистор можно не использовать.

Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно и на нагрузке, будет оставаться постоянным.

Следует отметить, что если имеют место пульсации входного напряжения, то стабилитрон неплохо сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Это сопротивление обычно во много раз меньше сопротивления R_огр, поэтому основная часть пульсаций поглощается в этом резисторе, а на стабилитроне и в нагрузке выделяется лишь незначительная часть их.

В общем случае (без использования ) цепь включения стабилитрона можно описать следующим выражением :

. (2.1)

Стабилизирующие свойства характеризуются коэффициентом стабилизации

. (2.2)

Расчетное задание

1. Для исследования характеристик выбрать из справочника модель стабилитрона (с напряжением стабилизации от 5 до 8 В), график ВАХ, выписать справочные характеристики.

2. На графике ВАХ стабилитрона произвести расчет рабочей точки. Номинал ограничительного резистора составляет 330 Ом, напряжение питания 12 В.

Порядок выполнения работы

1. Перед тем, как приступить к получению опытных данных, произвести все необходимые расчеты в соответствии с расчетным заданием. Ознакомиться с методами математического моделирования (см. Приложение 2).

2. Ознакомиться с работой приборов: источников постоянного тока; комбинированного измерителя напряжения, тока и сопротивления, а также с их виртуальными моделями в ПО EWB (см. Приложение 3).

3. Получить данные для построения ВАХ в прямом и обратном включении.

Снять статическую вольтамперную характеристику (ВАХ) стабилитрона в прямом и обратном включении. Для снятия прямой ветви ВАХ собрать схему, представленную на (см. Риc. 2.3).

Рис. 2.3.Схема для исследования вольтамперных Характеристик стабилитрона

Изменяя величину напряжения источника питания, измеряют ток через стабилитрон и прямое падение напряжения на диоде (12 точек). Данные за­нести в табл. 2.1. Сопротивление R используется в схеме для ограни­чения тока через диод. Величина тока через диод не должна превышать максимально допустимого значения определяемого по справочнику для исследуемого диода.

Рассчитайте R для вашего диода .

Таблица 2.1

Опытные данные для прямого включения

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Uпр
Iпр

Снимите обратную ветвь ВАХ (12 точек). Данные за­несите в табл. 2.2

Таблица 2.2

Опытные данные для обратного включения

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Uобр
Iобр

По данным табл. 2.1 и 2.2 построить графики ВАХ диода.

По указанным значениям напряжения и номинала резистора произведите динамический расчет графическим способом на построенной ВАХ. Полученные результаты сравните с опытными.

4. Полученные данные сравните со справочными данными для вашего типа диода. Сделайте выводы.

5. Смоделируйте схему в программе Electronics Workbench. Произведите операции, описанные в п.п. 1,2. Сравните полученные результаты .

6. Сделать выводы по выполненной лабораторной работе и записать его в отчет. Подготовиться к защите лабораторной работе, ответив на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит принцип работы кремниевого стабилитрона?

2. Какой вид пробоя р-п-перехода используется в этих приборах?

3. Почему в качестве материала для изготовления данного типа диодов используется кремний?

4. Расскажите о конструктивном оформлении, условном графическом обозначении и маркировке кремниевого стабилитрона.

5. Начертите и объясните схему включения кремниевого стабилитрона.

6. Нарисуйте ВАХ кремниевого стабилитрона и расскажите о физических процессах, определяющих форму характеристики на разных участках.

7. Укажите основные параметры кремниевого стабилитрона и поясните их физический смысл.

8. Расскажите о применении кремниевых стабилитронов в электронной аппаратуре.

Содержание отчета

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Оборудование и программное обеспечение.

4. Теоретические сведения.

5. Расчет исследуемой схемы, математическое моделирование в ПО MathCAD, моделирование схем в ПО EWB,.

6. Вывод .