- •Сборник методических указаний к лабораторным работам
- •Содержание
- •Введение
- •Лабораторная работа №1. Изучение стенда
- •1. Назначение и состав стенда
- •1.1. Компоновка оборудования
- •1.2. Блок генераторов напряжений
- •1.3. Наборная панель
- •1.4. Набор миниблоков по теории электрических цепей и основам электроники
- •1.5. Набор трансформаторов
- •1.6. Блок мультиметров
- •1.7. Ваттметр
- •1.8. Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №2. Изучение электронных измерительных приборов
- •Лабораторная работа №3. Исследование работы полупроводниковых диодов и стабилитронов
- •Лабораторная работа №4. Нелинейные преобразователи электрических сигналов. Исследование последовательных диодных ограничителей.
- •Лабораторная работа №5. Нелинейные преобразователи электрических сигналов.Иисследование параллельных диодных ограничителей.
- •Лабораторная работа №6. Исследование параметрического стабилизатора напряжения
- •Лабораторная работа №7. Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя
- •Лабораторная работа №8. Исследование однофазного
- •Лабораторная работа №9. Исследование неуправляемого выпрямителя трехфазного тока
- •Лабораторная работа №10. Исследование работы биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (оэ)
- •Лабораторная работа №11. Выпрямительные диоды. Эффект p-n перехода в диодах
- •1.1.1. Общие сведения
- •1.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №12. Полупроводниковый однополупериодный выпрямитель
- •1.2.1. Общие сведения
- •1.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №13. Полупроводниковый мостовой выпрямитель
- •1.3.1. Общие сведения
- •1.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №14. Неуправляемый выпрямитель трехфазного тока
- •1.4.1. Общие сведения
- •1.4.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №15. Стабилитроны (диоды Зенера). Характеристики стабилитрона
- •2.1.1. Общие сведения
- •2.1.1. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №16. Исследование параметрического стабилизатора напряжения
- •2.2.1. Общие сведения
- •2.2.2. Экспериментальная часть Задание 1
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Задание 2
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: При каких условиях выходное напряжение параметрического стабилизаора остается постоянным?
- •Вопрос 2: Когда возникает ток стабилизации iст ?
- •Лабораторная работа №17. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения
- •2.3.1. Общие сведения
- •2.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №18. Диоды с особыми свойствами. Светодиоды
- •3.1.1. Общие сведения
- •3.1.2. Экспериментальная часть
- •Вопрос 1: Какой минимальный ток необходим светодиоду для слабого светоизлучения?
- •Вопрос 2: Как ведет себя светоизлучение при изменении полярности прикладываемого напряжения?
- •Вопрос 3: Напряжение питания светодиода 5 в. Какой добавочный резистор необходим при токе 15 мА? лабораторная работа №19. Диоды с переменной емкостью (варикапы)
- •3.2.1. Общие сведения
- •3.2.2. Экспериментальная часть
- •Вопрос 1: Какова величина порогового напряжения варикапа?
- •4.1.1. Общие сведения
- •4.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Каковы общие свойства обоих p-n переходов транзисторов двух типов?
- •Вопрос 2: Каковы отличия p-n переходов в двух типах транзисторов? лабораторная работа №21. Распределение тока в транзисторе и управляющий эффект тока базы
- •4.2.1. Общие сведения
- •4.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №22. Характеристики транзистора
- •4.3.1. Общие сведения
- •4.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения экспериментов
- •Лабораторная работа №24. Установка рабочей точки транзистора и исследование влияния резистора в цепи коллектора на коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с общим эмиттером
- •4.4.1. Общие сведения
- •4.4.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какое влияние оказывает сопротивление в цепи коллектора на коэффициент усиления?
- •Вопрос 2: Какое влияние оказывает сопротивление в цепи коллектора на форму выходного напряжения? лабораторная работа №25. Усилители на биполярных транзисторах
- •4.5.1. Общие сведения
- •4.5.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какой из трех усилителей имеет инвертирующий эффект?
- •Вопрос 2: в каких задачах свойства усилителя с общим коллектором имеют особое применение?
- •Вопрос 3: в каких отношениях усилитель с общей базой отличается от усилителя с общим эмиттером? лабораторная работа №26. Регулятор напряжения (линейный)
- •4.6.1. Общие сведения
- •4.6.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какой элемент цепи (рис. 4.6.1) можно использовать для задания максимального выходного напряжения?
- •Вопрос 2: Из каких компонентов состоит линейный регулятор напряжения? лабораторная работа №27. Регулятор тока
- •4.7. Общие сведения
- •4.7.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №28. Униполярные (полевые) транзисторы. Испытание слоев и выпрямительного действия униполярных транзисторов
- •5.1.1. Общие сведения
- •5.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Когда p-n переходы полевого транзистора с каналом n-типа заперты?
- •Вопрос 2: Когда p-n переходы полевого транзистора с каналом p-типа заперты? Характеристика включения затвора полевого транзистора
- •5.2.1. Общие сведения
- •5.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №29. Управляющий эффект затвора полевого транзистора n-типа
- •5.3.1. Общие сведения
- •5.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Каков наклон характеристики s полевого транзистора, когда изменение напряжения затвор ¤ исток составляет 1,5 в, а соответствующее изменение тока стока равно 4,5 мА?
- •Вопрос 2: Когда полевой транзистор управляется без потерь мощности? лабораторная работа №30. Выходные характеристики полевого транзистора
- •5.4.1. Общие сведения
- •5.4.2. Экспериментальная часть Задание 1
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Задание 2
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Как ведет себя коэффициент усиления n при увеличении сопротивления нагрузки rн? лабораторная работа №31. Усилители на полевых транзисторах
- •5.5.1. Общие сведения
- •5.5.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какой из трех усилителей имеет инвертирующий эффект?
- •Вопрос 2: Почему усилитель с общим стоком не имеет такой же значимости, что и усилитель с общим коллектором на биполярном транзисторе?
- •Вопрос 3: в каких отношениях усилитель с общим затвором отличается от усилителя с общим истоком? лабораторная работа №32. Тиристоры. Диодный тиристор (симистор)
- •6.1.1. Общие сведения
- •6.1.2. Экспериментальная часть Задание 1
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Задание 2
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какова величина напряжения отпирания симистора (по рис. 6.1.5)?
- •Вопрос 2: Каковы величины дифференциального сопротивления симистора в запертом состоянии и отпертом состояниях при токе 2…3 мА?
- •Вопрос 3: Какие причины «заставляют» симистор вернуться к запертому состоянию?
- •Лабораторная работа №33. Триодный тиристор
- •6.2.1. Общие сведения
- •6.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Запирается ли отпертый тиристор, когда отключается напряжение цепи управляющий электрод ¤ катод?
- •Вопрос 5: Какие свойства проявляет тиристор, работая при измененной на противоположную полярности напряжений? лабораторная работа №34. Фазовое управление тиристора
- •6.3.1. Общие сведения
- •Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Как изменяется ток нагрузки при увеличении угла отпирания тиристора? лабораторная работа №35. Операционные усилители. Инвертирующий усилитель
- •8.1.1. Общие сведения
- •8.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какова полярность входного напряжения uвх инвертирующего усилителя по сравнению с выходным напряжением uвых?
- •Вопрос 2: Какие компоненты определяют коэффициент усиления инвертирующего усилителя?
- •Вопрос 4: Какое утверждение можно сделать относительно характеристики на рис. 8.1.4? лабораторная работа №36. Неинвертирующий усилитель
- •8.2.1. Общие сведения
- •8 Рис. 8.2.1. .2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какие компоненты усилителя определяют величину коэффициента усиления?
- •Вопрос 3: Какова полярность входного напряжения uвх в сравнении с выходным напряжением uвых? лабораторная работа №37. Операционный суммирующий усилитель
- •8.3.1. Общие сведения
- •8.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Как изменяется выходное напряжение при увеличении входных сопротивлений rвх1 и rвх2 от 1 кОм до 4,7 кОм и почему?
- •Вопрос 2: Какой тип цепи получается, когда использован только один вход усилителя?
- •Вопрос 3: Каково результирующее выходное напряжение, когда одно входное напряжение положительно, а другое отрицательно? лабораторная работа №38. Операционный дифференциальный усилитель
- •8.4.1. Общие сведения
- •8.4.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Когда получается удовлетворительное значение ослабления синфазного сигнала?
- •Вопрос 2: Какому типу цепи соответствует дифференциальный усилитель?
- •Вопрос 3: Какое значение выходного напряжения имеет место при равных сигналах на входах? лабораторная работа №39. Поведение операционного усилителя в динамике
- •8.5.1. Общие сведения
- •8.5.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какова величина фазового сдвига между входным и выходным напряжениями в каждом из четырех усилителей и как зависит она от частоты?
- •Вопрос 2: Как и почему изменяется коэффициент усиления каждого из рассмотренных усилителей при изменении частоты?
Лабораторная работа №3. Исследование работы полупроводниковых диодов и стабилитронов
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение принципа действия, исследование статических вольтамперных характеристик полупроводникового диода и стабилитрона и их работы в простейших цепях.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Полупроводниковыми диодами называют электропреобразовательные приборы с одним р-n-переходом, имеющие два вывода.
Полупроводниковый диод представляет собой кристалл полупроводника, в котором выполнен р-n-переход. К двум полупроводниковым областям, образующим переход, привариваются или припаиваются выводы из металлической проволоки, и вся система заключается в стеклянный, металлический, пластмассовый или керамический корпус. Одна из полупроводниковых областей, образующих р-n-переход, имеет более высокую концентрацию примесей и образует эмиттер, а вторая полупроводниковая область - базу. Вывод, на который необходимо подать положительное напряжение для включения диода в прямом направлении, называется анодом. Второй вывод, на который необходимо подать отрицательное напряжение для включения диода в прямом направлении, называется катодом.
Полупроводниковые диоды различают по типу р-n-перехода: плоскостные и точечные. Диоды первого типа получают обычно сплавным или диффузионным методом. В точечных диодах площадь перехода значительно меньше, чем в плоскостных. Для этого типа изготавливают методом вплавления тонкой металлической проволоки в базу диода.
Классифицируют диоды также по основному материалу: германиевые, кремниевые, диоды из арсенида галлия и др. Однако одним из основных признаков служит назначение: выпрямительные диоды, детекторные, преобразовательные, переключательные, стабилитроны. Выделяют также диоды, отличающиеся основными физическими процессами: лавинный диод, туннельный диод, фотодиод, светодиод и др.
Система обозначений полупроводниковых диодов регламентируется ГОСТ 10 832 - 72, их условные графические обозначения- ГОСТ 2.728 - 73, а термины - ГОСТ 20 004 - 74, ГОСТ 20 005 - 74 и ГОСТ 18 994 - 73.
Полупроводниковый диод содержит один переход. Концентрации одноименных носителей зарядов в двух областях полупроводника различного типа электропроводности, образующих р-n переход, неодинаковы. В результате разности концентраций возникает диффузионное движение частиц: дырки движутся из р-области в n-область, а электроны диффундируют в обратном направлении. Переходя границу раздела, дырки попадают в n-область, где они постепенно рекомбинируют c электронами, концентрация которых в этой области велика. Аналогично в р-области протекают процессы рекомбинации дырок с пришедшими туда электронами. В результате в приграничных слоях нарушается условие электрической нейтральности. В р-области остаются нескомпенcированными отрицательные заряды неподвижных акцепторных ионов, а в n-области остаются нескомпенсированными отрицательные заряды неподвижных ионов доноров. Этот двойной слой электрических зарядов создает вблизи границы электрическое поле. Область нескомпенсированных зарядов называется запирающим слоем. Запирающий слой обеднен подвижными носителями зарядов, поэтому сопротивление его значительно выше сопротивления полупроводника за пределами слоя.
Нескомпенсированный заряд создает на переходе контактную разность потенциалов k (потенциальный барьер), которая препятствует дальнейшей диффузии основных носителей.
Вместе с тем под действием поля p-n-перехода возникает дрейфовое движение через границу неосновных носителей зарядов: дырок из n-области и электронов в обратном направлении.
Через границу перехода наблюдаются встречные потоки одноименно-заряженных частиц и, следовательно, текущие навстречу токи. В результате диффузии основные носители зарядов - дырки и электроны - перемещаются в противоположных направлениях. Поскольку они переносят электрические .заряды противоположных знаков, то образуют дырочную и электронную составляющие единого диффузионного тока:
jD= jDp + jDn
Аналогично для плотности дрейфового тока, образованного встречным движением неосновных носителей зарядов:
jд= jдр + jдп
Равновесие на переходе установится при условии, что поле достигнет такого значения, при котором диффузионный ток оказывается полностью скомпенсированным встречным дрейфовым током и полный ток через переход равен нулю:
j= jD + jд= 0
При подключении к р-n-переходу внешнего напряжения U в прямом направлении (полярность внешнего напряжения противоположна контактной разности потенциалов), потенциальный барьер на переходе уменьшится до величины к - u. Равновесие на переходе нарушается (jD jд) и через переход течет ток вследствие увеличения диффузионного движения дырок из р-области в n-область и электронов в обратном направлении.
В результате при подключении к переходу прямого напряжения развивается диффузионное движение носителей зарядов через запирающий слой в ту область, где они являются неосновными носителями. Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда. С уменьшением потенциального барьера уменьшаются напряженность электрического поля в запирающем слое и ширина запирающего слоя. Дырки диффундируют от границы перехода в глубь n-области, постепенно рекомбинируя с электронами, а электроны диффундируют в р-область, постепенно рекомбинируя с дырками.
При подключении к переходу внешнего напряжения обратной полярности потенциальный барьер возрастает до величины к+ |u| равновесие на переходе нарушается, но в отличие от случая прямого смещения плотность диффузионных потоков основных носителей уменьшится (jD jд ) и через переход потечет ток, обусловленный перемещением неосновных носителей зарядов: дырок из n-области в р-область и электронов в обратном направлении. С увеличением обратного напряжения запирающий слой расширится, напряженность поля внутри его растет, но ток через переход практически не меняется, поскольку концентрация неосновных носителей не зависит от обратного напряжения. По этой причине ток, текущий через переход при подключении обратного напряжения, называют обратным током насыщения Io. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных, то и величина обратного тока Io незначительна. Io может возрасти за счет роста концентрации неосновных носителей при увеличении температуры. Поэтому обратный ток называют также тепловым током.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-n-перехода и идеализированного диода имеет вид
, (1)
где Io - тепловой ток обратносмещенного р-n-перехода;
U - падение напряжения на диоде;
т- температурный потенциал, определяемый соотношением
т=КТ/q (К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура перехода; q - заряд электрона). Для нормальных условий (Т = 3000К) т = 26 мВ.
Ток диода I и напряжение U положительны при прямом смещении (плюс к аноду, минус к катоду). При обратном смещении ток и напряжение отрицательны. График зависимости I показан на рис. 1 (кривая 1). На прямой ветви U 0 ток I экспоненциально растет, на обратной ветви U 0 имеет выраженный участок насыщения I = Io. Диод характеризуется дифференциальным сопротивлением rдиф=dU/dI|I=const определяемым как котангенс угла наклона касательной к характеристике в рабочей точке. Дифференциальное сопротивление зависит от тока и от приложенного к диоду напряжения. При U 0 rдиф велико: от нескольких десятков килоом до сотен мегаом. При U 0 rдиф мало, но зависит от тока, с увеличением прямого тока оно уменьшается. Пользуясь аналитическим выражением ВАХ (1) можно получить выражение для дифференциального сопротивления р-n-перехода: . Для реальных диодов дифференциальное сопротивление определяют как отношение конечных приращений напряжения U и тока I в окрестности заданной точки характеристики по методу касательных или секущих: . Сопротивление по постоянному току определяется отношением напряжения, приложенного к диоду, к соответствующей величине тока:
При значительном увеличении обратного напряжения на р-n-переходе наблюдается резкий рост обратного тока. Это явление называют пробоем электронно-дырочного перехода. Пробой перехода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в запирающем слое, либо в результате разогрева перехода при протекании тока большой величины. Различают несколько видов пробоя.
ЛАВИННЫЙ ПРОБОЙ. Этот вид пробоя развивается, если к переходу приложено высокое обратное напряжение и суммарное поле в запирающем слое может оказаться настолько большим, что неосновные носители, ускоренные полем перехода, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов полупроводника. В результате ударной ионизации в запирающем слое развивается лавина подвижных носителей заряда.
Для лавинного пробоя характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении (рис. 1).
Рис.1. Пробой p-n-перехода: 1 - лавинный; 2 - туннельный; 3 - тепловой
ТУННЕЛЫЙ ПРОБОЙ. Он обусловлен туннельным происхождением носителей заряда через р-n-переход при смещении энергетических зон вблизи границы р-n-перехода в результате действия сильного электрического поля. Начало туннельного пробоя оценивают по десятикратному превышению туннельного тока над обратным током Io. В случае высокоомных полупроводников Uпроб.тун. Uпроб.лав.; для более низкоомных полупроводников туннельный пробой развивается при меньших напряжениях: Uпроб.тун. Uпроб.лав
Характеристика обратного тока при туннельном пробое имеет такой же вид, как и при лавинном (рис.1). Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми. При снижении обратного напряжения р-n-переходы восстанавливают свои свойстве. Эти два типа пробоя называют электрическими.
ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ. Этот вид пробоя возникает в результате разогрева р-n-перехода обратным током большой величины. Число неосновных носителей заряда и обратный ток возрастают; в результате переход разогревается еще больше и т.д. Зависимость обратного тока от напряжения при тепловом пробое имеет характерный участок отрицательного дифференциального сопротивления (рис.1). При тепловом пробое происходит разрушение кристалла полупроводника. В отличие от электрического пробоя тепловой пробой является необратимым.
ВАХ реального диода лишь с некоторым приближением описывается зависимостью (1). На большом участке характеристики прямой ток диода может быть значительно ниже теоретически возможного, а обратный ток - больше тока насыщения. Прямая ветвь характеристики близка к экспоненте лишь при сравнительно малых прямых смещениях. Главной причиной, обуславливающей отличие прямых ветвей ВАХ реального и идеального диодов, является наличие сопротивления базовой области. При происхождении прямого тока на этом сопротивлении возникает падение напряжения, снижающее смещение перехода.
При некотором прямом напряжении потенциальный барьер снижается настолько, что перестает влиять на величину протекающего тока через переход прямого тока. Прямой ток диода при этом будет определяться лишь сопротивлением базы и линейно зависит от приложенного напряжения. Этот участок характеристики называется омическим и составляет в большинстве случаев ее основную рабочую область. Вырождение экспоненциальной зависимости в линейную происходит при сравнительно малых токах. Падение напряжения на кремниевом диоде при протекании через него номинального тока составляет 0,6 - 1,2 В, а на германиевом диоде 0,3 - 0,5 В.
Главной причиной различия обратных ветвей характеристики реального и идеального диодов является то, что обратный ток реального диода имеет три составляющие: ток насыщения I0, ток теpмогенерации Iтг и ток поверхностной утечки Iут:
Iобр.= I0+ Iтг+ Iут
Ток насыщения I0 в германиевом диоде на несколько порядков больше тока в кремниевом диоде. Ток термогенерации в германиевых диодах при нормальных условиях мал. В кремниевых диодах ток термогенерации является основной составляющей обратного тока. Ток термогенерации растет с увеличением обратного напряжения. Ток утечки при больших отрицательных напряжениях сравним с током I0 в германиевых и с током Iтг в кремниевых диодах. Ток утечки растет пропорционально обратному напряжению. При нормальных условиях обратный ток в германиевых диодах определяется в основном тепловым током, а в кремниевых диодах током термогенерации. Тепловой ток I0 и ток термогенерации увеличиваются с температурой, причем тепловой ток изменяется сильней. При температуре свыше 100 °С в кремниевых диодах начинает преобладать тепловой ток. В соответствии с ростом этих токов увеличивается полный обратный ток, а прямая ветвь характеристики сдвигается влево и становится более крутой.
Электрическими параметрами диодов являются:
прямой ток Iпр;
обратный ток Iобр ;
прямое падение напряжения Uпр ;
обратное напряжение Uобр.
К параметрам предельного режима работы диода относятся:
наибольшее обратное напряжение Uобр.max;
наибольший выпрямленный ток Iпр.max;
предельная частота выпрямления fq наибольшая температура корпуса Tкmax;
обратное пробивное напряжение Uобр.пр.
Полупроводниковым стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Рабочим участком характеристики стабилитрона (рис. 3) является область пробоя обратной ветви ВАХ перехода, которая почти параллельна оси токов, а рабочим напряжением - напряжение пробоя. При ограничений тока через стабилитрон он может использоваться для стабилизации напряжения.
Рис.2. Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Полупроводниковые стабилитроны изготавливают обычно на основе кремния, У стабилитрона с малым рабочим напряжением (до 3 - 4 В) возникает туннельный пробой.
У стабилитрона с рабочими напряжениями более 7 В возникает лавинный пробой. У стабилитронов с рабочими напряжениями 3 - 7 В пробой определяется совместным воздействием туннельного и лавинного механизмов.
Основными параметрами полупроводниковых стабилитронов являются:
1. Напряжение стабилизации Uст.
2. Максимальный и минимальный токи стабилизации Iст.max и Iст.min.
3. Дифференциальное сопротивление
4. Температурный коэффициент напряжения (ТКН), равный отношению относительного приращения напряжения стабилизации к абсолютному приращению температуры, выраженный в процентах:
5, Наибольшая рассеиваемая мощность Pmax.
6. Допустимый разброс напряжения стабилизации Uст %
Прямая ветвь ВАХ стабилитрона имеет такой же вид, как и у обычного диода.
ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
Изучить принцип работы полупроводникового диода и стабилитрона, их характеристики и параметры.
Начертить схемы для исследования полупроводниковых диодов в прямом и обратном включении.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. На наборной панели собрать схему для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики диода рис. 3а.
в
Рис.3. Схемы для снятия вольтамперной характеристики диода
К диоду (рис. 3а) при прямой полярности приложите напряжение постоянного тока UПР, величины которого указаны в табл. 1, измерьте с помощью мультиметра соответствующие токи IПР и их значения занесите в таблицу. Используйте при этом схему измерения с погрешностью по току.
Таблица 1
UПР, В |
0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,65 |
0,7 |
0,75 |
IПР, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Измените полярность диода, переключите вольтметр для измерений с погрешностью по напряжению как показано на рис. 3б и повторите эксперимент при величинах обратных напряжений, указанных в табл. 2. Для получения напряжений больше 15 В соедините два источника последовательно.
Таблица 2
UОБР, В |
0 |
2,5 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
IОБР, мкА |
|
|
|
|
|
|
|
|
Точные измерения обратного тока (IОБР) возможны только с помощью высокочувствительного мультиметра.
П еренесите измеренные данные из таблиц на график (рис. 4) и постройте вольтамперную характеристику диода.
Рис. 4.
3. Определить дифференциальное сопротивление диода и его сопротивление постоянному току для следующих значений тока через диод: 0, 3, 5, 10, 15 мА; построить их зависимость от тока.
4. Исследовать работу диода (стабилитрона) в цепи с нагрузкой. Для этого собрать схему рис.5. Снять зависимость напряжения на сопротивлении R1-UR1 и тока I в цепи от входного напряжения U1, приложенного в прямом направлении. Результаты измерений занести в табл. 3.
Рис.5. Схема для исследования работы диода (стабилитрона) в цепи с нагрузкой
Таблица 3
U1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UR1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для каждого значения U1 вычислить падение напряжения на диоде Uд = U1-UR1 или определить его по ВАХ и занести в табл. 3. Построить графики зависимостей UR1=f(U1); Uд = f(U1); I = f(U1) в одной системе координат, проанализировать перераспределение напряжений между сопротивлением и диодом.
5. Повторить п. 4. при обратной полярности напряжения , изменив при этом и полярность включения приборов.
6. Для каждого значения входного напряжения U1 определить графоаналитическим методом падение напряжения на сопротивлении UR1 , приборе Uд, а также ток I в цепи, воспользовавшись для этого полученной ранее ВАХ диода и построив в ее координатах нагрузочную прямую I=(U1-Uд)/R1; R1 = 1 ком. Точка пересечения нагрузочной прямой и ВАХ диода дает искомые величины Uд, I, UR1.
Полученные результаты занести в таблицу, аналогичную табл. 3. и сравнить результаты, полученные расчетным путем и экспериментально.
7. По полученным данным построить в масштабе ВАХ стабилитрона. Определить напряжение стабилизации стабилитрона. Рассчитать дифференциальное сопротивление стабилитрона.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать принципиальные схемы для снятия ВАХ, таблицы с экспериментальными результатами, графики ВАХ, построенных в масштабе, результаты расчетов, выводы, сделанные при исследовании.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое полупроводник? Чем обусловлена электропроводность полупроводника? Какие бывают типы полупроводников?
2. Что такое р-n-переход? Чем объясняется наличие запирающего слоя и потенциального барьера р-n -перехода?
3. Какие токи протекают через р-n -переход при прямом и обратном включении?
4. Какие токи протекает через р-n -переход при отсутствии внешнего напряжения и чем они обусловлены?
5. Как изменяется толщина запирающего слоя и высота потенциального барьера при прямом и обратном включении р-n-перехода?
6. Какова зависимость между током, протекающим через р-n-переход, и напряжением, приложенным к нему? Как изменяется она с температурой?
7. Что такое пробой р-n -перехода? Какие бывают виды пробоев?
8. Как зависит напряжение пробоя р-n -перехода от температуры?
9. Чем объясняется отклонение экспериментальной ВАХ полупроводникового диода от теоретической?
10. Что такое дифференциальное сопротивление диода и сопротивление постоянному току и как они зависят от прямого тока?
11. Каково соотношение между сопротивлением диода, включенного в прямом и обратном направлениях?
12. Какие бывают типы полупроводниковых диодов и как они классифицируются?
13. Какими эксплуатационными параметрами характеризуется полупроводниковый диод?
14. Каков верхний предел рабочей температуры германиевых и кремниевых диодов?
15. Каково соотношение между тепловыми токами германиевых и кремниевых диодов?
16. Что такое полупроводниковый стабилитрон?
17.При каких видах пробоя работает стабилитрон?
18. Каковы эксплуатационные параметры стабилитрона?
19.Как изменяется напряжение стабилизации стабилитрона при увеличении температуры?
20. Чем определяется минимальное и максимальное значения рабочего тока стабилитрона?