Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ОЕ 2014

.pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
12.05.2015
Размер:
651.23 Кб
Скачать

1.1–1.4.

5.За даними табл. 1.1–1.2 побудуйте на одній масштабній сітці графіки вольт-амперних характеристик германієвого діода для кімнатної температури і температури +50 ºС.

6.За даними табл. 1.3–1.4 побудуйте на одній масштабній сітці графіки вольт-амперних характеристик кремнієвого діода для кімнатної температури і температури +50 ºС.

7.Зробіть висновки по роботі, оформіть звіт.

Вимоги до звіту з лабораторної роботи

Звіт (протокол) з лабораторної роботи повинен містити: мету роботи,

відповіді на контрольні питання, схему експериментальної установки, по-

рядок виконання роботи з необхідними таблицями, графіки ВАХ германіє-

вого і кремнієвого діодів при різних температурах, висновки по роботі.

11

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СТАБІЛІТРОНІВ

Мета роботи: вивчити основні фізичні закономірності, що визначають властивості та параметри стабілітронів, виміряти їх вольт-амперні характе-

ристики (ВАХ), провести порівняльний аналіз.

Рекомендована література: [1, 2, 4, 6, 8].

Короткі теоретичні відомості

Стабілітроном називається напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою при зворотному увімкненні слабо залежить від струму в заданому діапазоні і який призначений для стабілі-

зації напруги.

Стабілітрони працюють у режимі електричного пробою. Під дією сильного поля в області p-n-переходу зворотний струм різко зростає при малих змінах прикладеної напруги. Цю особливість ВАХ кремнієвого діо-

да в області пробою (рис. 2.1, а) використовують для стабілізації напруги,

а також фіксації напруг і струмів в схемах, звідси інша назва кремнієвих стабілітронів – опорні діоди.

12

а)

б)

Рис. 2.1. BAX (а) і робоча область ВАХ (б) кремнієвого стабілітрона

Пробоєм p-n-переходу називається явище різкого збільшення зворо-

тного струму діода при досягненні зворотною напругою деякого критично-

го значення.

Розрізняють наступні види пробою: електричний (тунельний і ла-

винний) та тепловий.

Тунельний та лавинний пробої обумовлені фізичними процесами, що відбуваються в p-n-переході в сильних електричних полях, а тепловий – процесами, обумовленими нагріванням p-n-переходу при протіканні через нього зворотного струму.

Електричний пробій є оборотним і робота напівпровідникових при-

ладів у режимі електричного пробою допускається. Тепловий пробій є не-

оборотним, тобто напівпровідниковий прилад після теплового пробою ви-

ходить з ладу.

В якості матеріалу для напівпровідникових стабілітронів використо-

вується кремній, тому що він має більш високу температурну стабільність порівняно з германієм.

На рис. 2.1, б наведена робоча частина ВАХ стабілітрона. Оскільки реальна ВАХ в області пробою має деякий нахил, то напруга стабілізації залежить від струму стабілізації Iст. Максимальний струм стабілізації

13

Iст.max обмежений допустимою потужністю розсіювання Рmax і можливістю переходу електричного пробою в тепловий, який є необоротним. Мініма-

льний струм стабілізації Iст.min відповідає початку стійкого електричного пробою. При менших струмах в діоді виникають значні шуми, походження яких пов’язане з механізмом лавинного пробою (шуми в передпробійній області використовуються в спеціальних приладах – напівпровідникових генераторах шуму). Диференціальний опір rдиф характеризує якість стабілі-

зації і визначається кутом нахилу ВАХ в області пробою (він зростає із зростанням напруги стабілізації).

В основному стабілітрони застосовуються для стабілізації напруги.

Схема найпростішого стабілізатора напруги показана на рис. 2.2. Стабіліт-

рон приєднують паралельно навантаженню RН, а в загальне коло вмикають обмежувальний резистор R, що є функціонально необхідним елементом.

Рис. 2.2. Схема стабілізатора напруги Для схеми, наведеної на рис. 2.2, справедливе рівняння:

Iст E R RH Uст.

R RRH

З фізичної точки зору принцип стабілізації напруги в даній схемі по-

яснюється наступним чином. Збільшення напруги джерела живлення на величину ΔE призводить до збільшення загального струму в колі

I = IСТ+IН. Оскільки при зміні струму, що проходить через стабілітрон, на-

пруга на ньому залишається практично незмінною і рівною напрузі стабі-

14

лізації, то зміною струму навантаження IН можна знехтувати. Збільшення напруги джерела живлення на величину ΔE майже цілком відбудеться на обмежувальному резисторі R. При зменшенні напруги джерела живлення на величину ΔE загальний струм в колі зменшується, що призводить до зменшення струму, що проходить через стабілітрон. Якщо це зменшення не вийшло за межі стабілізації, то в цьому випадку при збереженні постій-

ної напруги на навантаженні напруга на резисторі R зменшиться на вели-

чину ΔE. Таким чином, наявність обмежувального резистора R в розгляну-

тій найпростішій схемі стабілізатора напруги є принципово необхідною.

Зміна опору навантаження при незмінній напрузі джерела живлення не призведе до зміни напруги на обмежувальному резисторі R, а викличе зміну струму, що проходить через стабілітрон.

Крім стабілізації постійної напруги, стабілітрони використовуються в стабілізаторах обмежувачами імпульсної напруги, в схемах випрямлення, в

якості керованих ємностей, шумових генераторів і елементів міжкаскадних зв’язків у підсилювачах постійного струму та імпульсних пристроях.

Параметри стабілітронів

1. Напруга стабілізації – номінальне значення напруги на стабіліт-

роні при заданому зворотному струмі стабілітрона в області пробою. На-

пруга стабілізації приблизно дорівнює напрузі пробою. У стабілітронах напругою стабілізації до 7 В використовується тунельний пробій, а з на-

пругою стабілізації більше 15 В – лавинний пробій.

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

2. Диференційний динамічний опір стабілітрон rст

rст dUст

dIст

15

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, диференційний опір різко зменшується. Чим менше rст , тим вище ступінь стабілізації напруги.

3. Опір постійному струму Rст Uст характеризує втрати в діоді у

Iст

даній робочій точці.

4. Критерій (коефіцієнт) якості стабілітрона Q – відношення статичного опору до диференційного при даному струмі стабілізації:

Q Rст dIст Uст .

rст dUст Iст

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

Оскільки максимальним змінам струму повинні відповідати мінімаль-

ні зміни напруги, то величина Q для хороших стабілітронів повинна бути якомога більша. Для сучасних стабілітронів Q лежить у межах 20…100.

5. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації (ТКН) – пока-

зує зміну напруги стабілізації від температури.

ТКН 1 dUст 100%.

Uст dT

Залежно від виду пробою стабілітрона ТКН може бути позитивним або негативним. Якщо пробій тунельний, то ТКН негативний, а якщо про-

бій лавинний, то ТКН позитивний. Характер зміни ТКН для стабілітронів з різною напругою пробою показаний на рис. 2.3.

16

Рис. 2.3. Характер залежності температурного коефіцієнта напруги стабілі-

зації (ТКН) і динамічного опору від напруги стабілізації стабілітронів Для зменшення ТКН використовується послідовне увімкнення двох

або декількох стабілітронів з ТКН з різним знаком. При додатному ТКН послідовно зі стабілітроном можна вмикати p-n-перехід в прямому напря-

мку. Такий спосіб компенсації використовується в прецизійних стабілітро-

нах. У цих стабілітронах послідовно з основним p-n-переходом у прямому напрямку увімкнено 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.

6. Мінімальний (Iстmin ) і максимальний (Iстmax) струми стабілі-

зації. 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 стру-

му пробій переходить у стійкий стан і шуми зменшуються.

Максимальний струм стабілізації обмежується допустимою потужніс-

17

тю 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.

Контрольні питання

1.Що таке напівпровідниковий стабілітрон?

2.Що називають пробоєм р-n-переходу?

3.Які існують види пробою р-n-переходу і в чому їх принципова різниця?

4.Які види пробою використовуються в стабілітронах?

5.Намалюйте вольт-амперну характеристику стабілітрона, вкажіть на ній ділянку стабілізації.

6.Поясніть принцип роботи найпростішої схеми стабілізації напруги.

7.Перерахуйте основні параметри стабілітронів.

8.Що таке ТКН і як він визначається?

9.Чим обмежений мінімальний та максимальний струми стабілізації?

10.Перерахуйте області застосування стабілітронів.

Підготовка до виконання лабораторної роботи

1. Вивчити теоретичні відомості і дати відповіді на контрольні запи-

тання.

Порядок виконання роботи

1. Зніміть пряму гілку ВАХ стабілітрона КС133А. Для цього зберіть схему досліджень стабілітронів (рис. 2.4). Перемикач П встановіть у поло-

ження 1.

18

Рис. 2.4. Схема для дослідження стабілітронів

Змінюючи вхідну напругу Е, фіксуйте напругу на стабілітроні Uст і

струм через нього I . Результати вимірювань занесіть у табл. 2.1.

Таблиця 2.1. Пряма гілка ВАХ стабілітрона КС133А

Е, В

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uст, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I , мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Зніміть зворотну гілку ВАХ стабілітрона КС133А. Для цього змі-

ніть полярність підключення джерела живлення (на ту, що в дужках на рис

2.4) і мультиметрів, що виконують роль вольтметра та амперметра. Резуль-

тати вимірювань занесіть у табл. 2.2.

Таблиця 2.2. Зворотна гілка ВАХ стабілітрона КС133А

Е, В

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uст, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I , мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Зніміть пряму гілку ВАХ стабілітрона КС147А. Для цього переми-

кач П встановіть в положення 2. Змінюючи вхідну напругу, фіксуйте на-

19

пругу на стабілітроні і струм через нього. Результати вимірювань занесіть

у табл. 2.3.

Таблиця 2.3. Пряма гілка ВАХ стабілітрона КС147А

Е, В

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uст, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I , мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Зніміть зворотну гілку ВАХ стабілітрона КС147А. Для цього змі-

ніть полярність підключення джерела живлення і мультиметрів. Результати

вимірювань занесіть у табл. 2.4.

Таблиця 2.4. Зворотна гілка ВАХ стабілітрона КС147А

Е, В

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uст, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I , мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Зніміть пряму гілку ВАХ стабілітрона Д814Б. Для цього переми-

кач П встановіть у положення 3. Змінюючи вхідна напруга, фіксуйте на-

пругу на стабілітроні і струм через нього Результати вимірювань занесіть у табл. 2.5.

Таблиця 2.5. Пряма гілка ВАХ стабілітрона Д814Б

Е, В

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uст, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I , мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Зніміть зворотну гілку ВАХ стабілітрона Д814Б. Для цього змініть

полярність підключення джерела живлення і мультиметрів. Результати ви-

мірювань занесіть у табл. 2.6.

20

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]