4. Лабораторная работа № 2 «Экспериментальное исследование стабилитрона»

Цель работы

1. Изучение характеристик и параметров стабилитрона.

2. Ознакомление с применением стабилитрона для стабилизации напряжения.

3. Снятие вольт – амперных характеристик стабилитрона на постоянном токе с помощью мультиметров и миллиамперметров.

4. Снятие вольт – амперной характеристики стабилитрона на переменном токе с помощью осциллографа.

Приборы и элементы

В данной лабораторной работе используются модули лабораторного стенда:

1. «Диоды»;

2. «Мультиметры»;

3. «Миллиамперметры»;

4. Осциллограф.

Параметры приборов и элементов

В модуле «Мультиметры» используются приборы типа MY67, диапазон измерений которых приведен в табл.5.

Диапазоны измерений мультиметров Таблица 5

Измеряемая величина	MY-67		MY-68
	Диапазон измерений	Погрешность измерения	Диапазон измерений	Погрешность измерения
Напряжение постоянного тока	1000 В	±0,8% ±2 D	1000 В	±0.5% ±2 D
Напряжение переменного тока	750 В	±1,2% ±3D	750 В	±0.5% ±3 D
Постоянный ток	400,0 мкА; 400,0 мА 10,00 А	±0,8% ±2 D ±1.2% ±2D ±2.0% ±5 D	326,0 мкА; 326,0 мА 10,00 А	±1.2% ±3D ±2.0% ±5 D
Переменный ток	400,0 мкА; 400,0 мА 10,00 А	±0,8% ±3 D ±1.2% ±3D ±3.0% ±5 D	326,0 мкА; 326,0 мА 10,00 А	±1.5% +5D ±3.0% ±7 D
Сопротивление	40,00 МОм	±1.2% ±2D	32,60 МОм	±1.2% +2D

В модуле «Миллиамперметры» используются приборы магнитоэлектрической системы, диапазон измерений которых приведен в табл.2.

Для проведения лабораторных работ необходим двухканальный осциллограф, например GOS-620, C1-117 или аналогичный им.

При применении двухканального осциллографа возникает опасность коротких замыканий в схеме через два провода измерительных входов, связанных с корпусом осциллографа. Осциллографы, подключаемые евровилкой к трехпроводной сети, на своём корпусе «⊥» (общих выводах измерительных входов) будут иметь потенциал заземляющего (зануляющего) провода. Об этом следует помнить при обеспечении электробезопасности. Осциллограф должен быть специально подготовлен к работе на стенде.

От осциллографа в исследуемую схему должен идти только один провод, связанный с корпусом «⊥». Этот провод необходимо сохранить в кабеле, предназначенном для измерения меньших напряжений. При этом оба сигнала будут измеряться относительно точки, к которой подсоединен корпус осциллографа («⊥»).

Аналогично, сигнал внешней синхронизации должен подаваться на вход внешней синхронизации одним проводом. При этом сигнал подается относительно точки, к которой подключен корпус осциллографа («⊥»).

Эти рекомендации являются обязательными. Их невыполнение может привести к выходу из строя модулей комплекса.

Описание лабораторной установки

В лабораторной работе исследуется полупроводниковый выпрямительный диод. Передняя панель лабораторного модуля «Диоды» представлена на рис. 9.

На ней приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. На мнемосхеме изображены: выпрямительный диод VD1, диод Шоттки VD2, светодиод VD3, стабилитрон VD4, потенциометр RP1 для изменения подаваемого напряжения, резистор R_н и балластный резистор R_б. Резистор R_н используется в качестве ограничивающего ток при снятии характеристик и в качестве сопротивления нагрузки при исследовании выпрямителя. Переключатель SA1 предназначен для включения переменного или постоянного напряжения (положительного или отрицательного), а также выключения питания модуля. Шунт R_ш = 10 Ом служит для осциллографирования сигнала, пропорционального току через диод. На передней панели размещены также гнезда для осуществления внешних соединений (X1 - Х15).

Рис. 9. Модуль «Диоды»

Питание модуля осуществляется от источников переменного и постоянного напряжения (±15В). Для подачи постоянного напряжения на модуль необходимо включить автоматический выключатель QF модуля питания. Модуль включается переключателем SA1, при этом на потенциометр RP1подается + 15 В, - 15 В или ~ 12 В.

Измерение постоянных токов и напряжений осуществляется при помощи модулей «Миллиамперметры» и «Мультиметры». Для осциллографирования сигналов применяется двухканальный осциллограф типа GOS 806.

Краткие сведения из теории

Стабилитрон применяется в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Для стабилизации высо­кого напряжения (U>3 В) используют обратную ветвь ВАХ. Применяемые для этой цели диоды называют стабилитронами.

К основным параметрам стабилитрона относятся: U_ст-— номи­нальное напряжение стабилизации при заданном токе; r_д— диф­ференциальное сопротивление при заданном токе; I_ст.min — мини­мально допустимый ток стабилизации; P_max — максимально допустимая рассеиваемая мощность; температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации (выражается в К^-1), равный , где △U_ст — отклоне­ние напряжения U_ст от номинального значения U_ст.ном при измене­нии температуры в интервале △T.

Шкала напряжений у промышлен­ных типов стабилитронов лежит в пределах 3—180 В.

Точка 1 на характеристике соответствует минимальному току стабилитрона, при котором наступает пробой. Точке 2 соответствует максимальный ток стаби­литрона, достижение которого еще не грозит тепловым пробоем p-n-перехода. В зависимо­сти от типа стабилитрона величина I_{ст max} может составлять от 2 мА до 1,5 А.

Парамет­ром, характеризующим наклон рабочего участка характеристики, является динамическое сопро­тивление стабилитрона r_д=△U_ст /△I_ст. Величина r_д для низковольтных стабилитронов лежит в пределах 1—30 Ом, а для высоковольтных — 18—300 Ом.

Показателем зависимости напря­жения U_ст от температуры служит темпера­турный коэффициент нестабильности напряже­ния (ТКН). Он определяет изменение в процен­тах напряжения U_ст при изменении темпера­туры окружающей среды на 1°С. Для крем­ниевых стабилитронов ТКН может быть по­ложительным и отрицательным и составлять в зависимости от типа прибора 0,0005—0,2 % / °С. ВАХ стабилитрона приведена на рис. 10.

Рис. 10. Вольт – амперная характеристика стабилитрона

Порядок проведения экспериментов

1. Cобрать схему для исследования стабилитрона VD3 на постоянном токе (Рис.11). Соединить перемычкой гнезда Х5, Х9. Переключить вывод вольтметра (мультиметра («Модуль мультиметров»)) на гнездо Х4.

Рис.4. Принципиальная схема для исследования диода

2. Снять вольт-амперную характеристику стабилитрона на постоянном токе , переключив переключатель SA1 на «—». При смене ветви не забыть изменить полярность миллиамперметра и его предел измерения.

3. Собрать схему для исследования стабилитрона на переменном токе для получения ВАХ на экране осциллографа. Для этого установить SA1 в положение «Выкл.». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0». Вход Y (СН2) осциллографа подключить к шунту R_ш (гнездо Х13), а корпус осциллографа « » соединить с гнездом Х12. Вход X (СН1) осциллографа подключить к гнезду Х4. При этом переключатель развертки осциллографа должен быть переведен в положение X/Y. Подать питание - переключатель SA1 установить в положение «~». Светящуюся точку на экране осциллографа поместить в начало координат. Вращать ручку потенциометра RP1 до положения «5». Зарисовать ВАХ стабилитрона, определить масштабы по току и напряжению.

4. Определить по осциллограмме параметры стабилитрона: напряжение между анодом и катодом в открытом состоянии U_am при максимальном анодном токе I_amax, пороговое напряжение U₀ и дифференциальное сопротивление r_д.

Обработка результатов экспериментов

По результатам опытов построить характеристики стабилитрона, определить его параметры, обработать осциллограммы, сравнить расчет и опыт.

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментов.

3. Результаты экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы.

4. Экспериментально снятые и построенные характеристики.

5. Обработанные осциллограммы.

6. Выводы по работе; в выводах обязательно ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются полупроводники типа p и n.

2. Назначение стабилитрона и принцип его работы.

3. ВАХ стабилитрона и ее особенности.

4. Энергетическая диаграмма р-n перехода.

5. Каковы свойства р-п - перехода?

6. Объясните вид ВАХ р-п- перехода?

7. Как снять по точкам ВАХ диода?

8. Как снять ВАХ диода с помощью осциллографа?

9. В чем отличие ВАХ выпрямительного диода, диода Шоттки и светодиода?

10. Каким образом на экране осциллографа получают изображение функциональной зависимости двух напряжений?

11. Каким образом на экране осциллографа получается изображение периодической функции времени?