ОЕ 2014
.pdf1.1–1.4.
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