Лабораторная работа №2 (схемотехника) - ИСТбд-32 - Тагашев И. И.. Исследование полупроводников диодов
![]()
|
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет информационных систем и технологий Кафедра «Измерительно-вычислительные комплексы» Лабораторная работа №2 По дисциплине «Схемотехника» Вариант №10 Тема: «Исследование полупроводников диодов» Выполнил: ст. гр. ИСТбд-32 Тагашев И. И. Проверил: доцент каф. ИВК, к.т.н. Ефимов И. П. Ульяновск, 2021 г. Лабораторная работа №2 Тема: «Исследование полупроводников диодов» Цели лабораторной работы: Знакомство с полупроводниковыми диодами, их параметрами и характеристиками; Изучение теоретических основ полупроводниковых диодов; Исследование полупроводниковых диодов. Теоретические сведения P-n-переход Диод – это полупроводниковый прибор, проводящий ток только в одном направлении – от анода к катоду. Согласно представлениям современной физики, односторонняя проводимость диода объясняется следующим образом (рис. 1): ![]() ![]() Рис. 1. Подключение диода к источнику постоянного напряжения: а) прямое смещение; б) обратное смещение Основу диода составляет p-n-переход (область соприкосновения полупроводников с дырочной ![]() ![]() Электронные вакансии в атомах называются дырками. Считается, что дырки имеют положительный заряд. В ![]() При прямом смещении p-n-переход (рис. 4.1, а) электроны движутся к положительному полюсу, дырки – к отрицательному. Через диод протекает прямой ток ![]() В случае обратного смещения p-n-перехода (рис. 4.1, б) диод закрывается (область p-n-перехода освобождается от носителей заряда). Через диод протекает очень малый ток ![]() Вольт-амперная характеристика диода На рис. 2 представлена типовая вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода. ![]() Рис. 2. BAX полупроводникового диода Прямая ветвь ВАХ описывается экспоненциальной функцией. ВАХ диода зависит от температуры: ![]() при ![]() Если прямой ток имеет постоянную величину, то при увеличении температуры на один градус, прямое напряжение уменьшается приблизительно на 2 мВ. Обратный ток слабо увеличивается при росте обратного напряжения. При определенном значении обратного напряжения ( ![]() С ![]() Стабилитрон – это специальный диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Обратная ветвь ВАХ стабилитрона имеет участок с большой крутизной (рис. 3) Рис. 3. ВАХ стабилитрона При воздействии обратного напряжения стабилитрон закрыт до тех пор, пока ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Дифференциальные сопротивления стабилитрона ![]() показывает, насколько изменяется напряжение стабилизации при заданном изменении тока стабилизации. Температурный коэффициент напряжения стабилизации ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() Прямая ветвь ВАХ у стабилитрона аналогична соответствующей ВАХ диода. Диодные ограничители напряжения Принцип действия диодных ограничителей напряжения основан на том, что прямое напряжение диода не может превышать некоторого предельного значения (0,3…1,5 B в зависимости от типа диода) и его можно, с некоторой степенью приближения, считать постоянной величиной. В состав ограничителей напряжения могут входить и стабилитроны. На рис. 4, a показана схема простого диодного ограничителя напряжения и временная характеристика его работы (рис. 4, б). ![]() ![]() Рис. 4. Простой диодный ограничитель напряжения: a) принципиальная схема; б) временная диаграмма Пусть для всех диодов ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Так как ток протекает через два последовательно включенных диода, максимальное значение ![]() В отрицательную полуволну ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 5. Ограничитель напряжения, состоящий из диодов и стабилитрона: а) принципиальная схема; б) временная диаграмма Пусть прямое напряжение для всех элементов равно 1 B, а напряжение стабилизации для ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Порядок выполнения работы Исследование BAX диода ![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 6. Схема для снятия ВАХ диода ![]() Построение схемы; ![]() Таблица 4.2 Результаты исследования ВАХ диода при температуре ![]() Таблица для температуры ![]()
Таблица 4.3 Результаты исследования ВАХ диода при температуре ![]() Таблица для температуры ![]()
Таблица 4.4 Результаты исследования ВАХ диода при температуре ![]() Таблица для температуры ![]()
Графики зависимости ![]() ![]() ![]() Вывод: при исследовании ВАХ мной было доказано, что при увеличении температуры прямое напряжение уменьшается. Исследование диодного датчика температуры Провести исследование диодного датчика температуры (рис. 4.7). Для создания постоянного значения тока ![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 7. Диодный датчик температуры За счет высокого сопротивления ![]() ![]() Параметры элементов источника тока приведены в таблице 4.5. ![]() Построение схемы, выбрать диод D74; ![]() Рис. 8. Диодный датчик температуры Зависимость прямого напряжения диода (рис. 4.7) от температуры:
График зависимости ![]() ![]() Чувствительность датчика температуры: ![]() ![]() ![]() ![]() Вывод: при исследовании диодного датчика температуры мной было доказано, что при увеличении температуры прямое напряжение уменьшается. И при высоком сопротивления 𝑅1 сила тока не изменяется. Определить напряжение стабилизации стабилитрона Схема для проведения исследований представлена на рис. 8. ![]() ![]() Взаимосвязь входного и выходного напряжения схемы (Рис. 8) Таблица 4.7
График зависимости ![]() ![]() ![]() ![]() Напряжение, при котором выходное напряжение перестанет резко менять свое значение будет неравно значению напряжения стабилизации стабилитрона. График зависимости ![]() ![]() ![]() ![]() Оценочное значение напряжения стабилизации исследуемого стабилитрона ![]() Зависимость напряжения ![]() Таблица 4.9
График зависимости ![]() ![]() ![]() Вывод: я исследовал схему и определил напряжение стабилизации стабилитрона. В ходе работы было найдено ![]() Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона Дифференциальное сопротивление стабилитрона при различных значениях тока стабилизации: Таблица 4.10
В начале участка стабилизации: ![]() В середине участка стабилизации: ![]() В конце участка стабилизации: ![]() График зависимости ![]() ![]() ![]() ![]() Определение дифференциального сопротивления стабилитрона при температуре +27 ![]() Таблица 4.11
Определение дифференциального сопротивления стабилитрона при температуре -30 ![]() Таблица 4.12
Определение дифференциального сопротивления стабилитрона при температуре +60 ![]() Таблица 4.13
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Дифференциальное сопротивление стабилитрона при различных температурах. Таблица 4.14
График зависимости ![]() ![]() ![]() Вывод: были вычислены дифференциальные сопротивления стабилитрона при различных температурах, по которым становится ясно, что при увеличении температуры уменьшается ![]() ![]() ![]() Исследование составного стабилитрона, состоящего из одного элемента: Определение дифференциального сопротивления одиночного стабилитрона Таблица 4.15
![]() Исследование составного стабилитрона, состоящего из двух элементов: Определение дифференциального сопротивления двух последовательно включенных стабилитронов Таблица 4.16
И ![]() Определение дифференциального сопротивления трех последовательно соединенных стабилитронов Таблица 4.17
Определение дифференциального сопротивления для рис. 8: ![]() Определение дифференциального сопротивления для рис. 9: ![]() Определение дифференциального сопротивления для рис. 10: ![]() Вывод: были определены значения дифференциального сопротивления нескольких составных стабилитронов, по которым видно, что с уменьшением ![]() ![]() ![]() Исследование диодного ограничителя напряжения ![]() ![]() Результаты исследования схемы (рис. 12) при положительной полярности входного напряжения:
График зависимости ![]() ![]() ![]() ![]() Результаты исследования схемы (рис. 12) при отрицательной полярности входного напряжения:
![]() ![]() ![]() ![]() Временная диаграмму работы ограничителя: ![]() Вывод: было выполнено Исследование диодного ограничителя напряжения при отрицательных и положительных значениях входного напряжения, благодаря чему можно сказать, что с возрастанием положительных значениях и убыванием отрицательных значений ![]() ![]() Вывод: В данной лабораторной работе я рассмотрел свойства диодов и стабилитронов. Исследовал ВАХ диода и дифференциальное сопротивление стабилитрона. Также посмотрел на работу диодного ограничителя напряжения. Контрольные вопросы Свойство односторонней проводимости диодов широко используется в промышленной электронике для преобразования переменного тока в постоянный. Если к цепи, состоящей из последовательно соединенных диода и нагрузки RH, приложено переменное напряжение, то совершенно очевидно, что через нагрузку RH будет проходить ток лишь одного направления. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Поэтому через диод будет протекать во много раз меньший ток, чем прямой, и этот ток называют обратным током диода. На практике, как правило, обратным током p-n перехода пренебрегают, и отсюда получается, что p-n переход обладает лишь односторонней проводимостью. Если прямой ток имеет постоянную величину, то при увеличении температуры на один градус, прямое напряжение уменьшается приблизительно на 2 мВ. Обратный ток слабо увеличивается при росте обратного напряжения. При определенном значении обратного напряжения ( ![]() При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде UПР и его обратный ток I0. Если прямой ток остается постоянным, прямое напряжение линейно уменьшается по мере увеличения температуры. Даже если прямой ток немного изменится, вы все равно можете сделать довольно точный термометр, но соотношение между напряжением и температурой будет менее линейно. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. ![]() указывает относительное изменение напряжения стабилизации при повышении температуры на 1 С. Принцип действия диодных ограничителей напряжения основан на том, что прямое напряжение диода не может превышать некоторого предельного значения (0,3…1,5 B в зависимости от типа диода) и его можно, с некоторой степенью приближения, считать постоянной величиной. В состав ограничителей напряжения могут входить и стабилитроны. |