Практическая работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ДИОДА

1. Цель работы:

Изучить методы расчета режимов работы диода. Проверить результаты расчетов на электронной модели.

2. Литература:

2.1 Тырышкин И.С. Физические основы полупроводниковой электроники. М.: Высш.шк. 2000.

2.2 Лачин В. И. Электроника: учеб. пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савёлов.

- Ростов-на-Дону: изд-во "Феникс" 2007.

2.3 Матвиенко В.А. Характеристики и параметры полупроводниковых приборов. Учеб. пособие. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007.

3. Задание:

3.1. Изучить приложение к данной работе.

3.2. Определить вольт-амперные характеристики диода.

3.3. Произвести расчеты токов и напряжений для схемы, представленной в приложении.

3.4. Ответить на контрольные вопросы.

3.5. Составить отчет по работе.

4. Содержание отчета:

4.1. Наименование и номер работы.

4.2. Цель работы.

4.3. Расчетные формулы, расчетные схемы включения диодов.

4.4. Ответы на контрольные вопросы.

5. Контрольные вопросы:

5.1. Чем обусловлено прямое и обратное сопротивления диодов.

5.2. Какие типы выпрямительных диодов Вы знаете.

5.3. Чем различаются дифференциальное сопротивление и сопротивление диода постоянному току.

5.4. В каких схемах применяется выпрямительный диод.

5.5. Как обозначается на схемах выпрямительный диод.

5.6. Основные параметры выпрямительных диодов.

5.7. Чем обусловлено влияние изменения температуры на характеристики и параметры диода.

6. Приложение:

6.1 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый прибор с р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (далее диод). Одна из областей р-n-структуры (р+), называемая эмиттером, имеет концентрацию основных носителей заряда на несколько порядков больше, чем другая область, называемая базой.

Для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода справедлива следующая формула:

, (1)

где I₀ – обратный ток насыщения,

φ_T – температурный потенциал.

Температурный потенциал

φ_T =

,

где k – постоянная Больцмана;

T – температура по шкале Кельвина;

е – заряд электрона.

Температурный потенциал имеет размерность напряжения, и при комнатной температуре φ_T ≈ 26 мВ.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода приведена на рисунке 1. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением (1).

Рис. 1. Статическая вольт-амперная характеристика диода

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс.

6.2 Выпрямительные диоды

6.2.1 Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц – 100 кГц. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой.

Среднее прямое напряжение U_пp.cp – среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_обр.ср – средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_o6p.max – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп.ср max} – средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

6.2.2 Обозначение диодов

Диоды на принципиальных схемах обозначаются следующим образом. Выпрямительные и универсальные – рисунок 2. Один из электродов обозначается буквой А по аналогии с электровакуумными приборами – анод, другой – К – катод.

Если к аноду приложено внешнее положительное напряжение, а к катоду - отрицательное, то диод включен в прямом направлении и открыт. На диоде выделяется напряжение U_ПР и течет ток I_ПР = I_Д.

Если к аноду приложено отрицательное напряжение, то диод включен в обратном направлении и закрыт. В цепи течет обратный ток насыщения I₀ (рисунок 1).

Обозначение диодов – КД101А – кремниевый диод малой мощности,

номер заводской разработки 01, разновидность внутри разработки - А.

Рис. 2. Обозначение выпрямительного универсального диода

Малая мощность означает, что прямой ток не должен превышать 0.3 А.

6.3 Определение вольт-амперных характеристик диода

6.3.1. Интерфейс создания схемы

Вызвать пакет анализа электронных схем Electronics Workbench (EWB) двойным щелчком по ярлыку . Он находится на рабочем столе компьютера и имеет имя.

Открывается окно EWB, содержащее ряд кнопок для выбора компонент схем и наборное поле, в котором размещается схема.

Для создания схемы нужно последовательно выбирать ее элементы и размещать их на наборном поле. Пассивные компоненты выделяются щелчком ЛКМ по кнопке , открывающей окно пассивных компонент. Компонент выбирается курсором мыши и перемещается на поле чертежа при нажатой левой клавише мыши. При необходимости вращение и отражение элементов схемы выполняется кнопкамипри условии, что элемент активизирован (окрашен в красный цвет). Для активизации элемента достаточно выполнить по нему щелчок ЛКМ.

Обязателен компонент «общая шина» , который выбирается из группыSources (кнопка ). Измерительные приборы (амперметр и вольтметр) выбирают из группыIndicators .

После расстановки элементов на поле чертежа выполняется их соединение в соответствии со схемой. Для этого курсор мыши подводится к выводу элемента и, после появления индикатора захвата (черный кружок у вывода), нажимается ЛКМ и курсор перемещается ко второму из соединяемых выводов или фрагменту ранее проведенной цепи. После появления черного кружка ответа отпускается клавиша мыши.

Для удаления цепи следует встать курсором на цепь, щелкнуть левой клавишей, цепь активизируется. Нажать клавишу «Delete», затем – «Enter».

После удаления компонента из схемы соединительная линия может остаться «висящей» - удалить ее.

Для задания параметров компонент схемы (резистор, источник и др.) нужно выполнить двойной щелчок ЛКМ по изображению компонента и в открывшемся окне активизировать вкладку Value (значение). Установить курсор в окне значений, с помощью правой клавиатуры набрать необходимое значение (номинал). Для отображения на схеме номинала элемента и его номера нажать клавишу Display. На появившейся вкладке отключить «галочку» Use Schematic, отметить «галочкой» Show values, нажать кнопку «ОK». При вводе дробного значения необходимо использовать точку (не запятую).

Параметры приборов также устанавливаются в соответствующих окнах, открывающихся после двойного щелчка по изображению прибора.

Нумерацию компонент и приборов EWB выполняет по мере вывода их на наборное поле.

Для выполнения моделирования схемы включить щелчком мыши кнопку питания схемы, находящуюся в правом верхнем углу экрана (0‑выключено, 1–включено). Для остановки процесса без выхода из режима моделирования нажать кнопкуPause.

Для установки нужной температуры следует войти в основное меню Analysis, выбрать опцию Analysis options. В открывшемся окне выделить вкладку Global и установить значение переменной Simulation temperature (TEMP) равное заданной температуре, например 60 degrees C. Значение температуры высвечивается в окне нижней строки экрана. Выполнив измерения установить прежнее значение температуры 27 degrees C.