Изучение свойств полупроводниковых диодов и ста... Исследование выпрямительного диода и стабилитрона

• Название: Исследование выпрямительного диода и стабилитрона
• Дата: 04.04.2023
• Размер: 313 Kb.
• Имя файла: Изучение свойств полупроводниковых диодов и ста...doc
• Тип: Исследование; #1037193

Лабораторная работа №1
Тема: Исследование выпрямительного диода и стабилитрона
Цель : Научить собирать схемы включения выпрямительных диодов и стабилитронов, измерять их характеристики и параметры и делать выводы из полученных результатов.

Оборудование: ПЭВМ, программный пакет «Electronics Workbench».
1Краткие теоретические сведени

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор, как правило, с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами. Полупроводниковые диоды подразделяются на группы по многим признакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции. Широко распространены низкочастотные выпрямительные диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц (иногда до 50 кГц). Эти диоды применяются в выпрямительных устройствах для питания различной аппаратуры. Иногда их называют силовыми диодами. Низкочастотные диоды являются плоскостными и изготовляются из германия или кремния. Они делятся на диоды малой, средней и большой мощности.

Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики (рисунок 1). Она показывает, что, например, для диодов малой мощности прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше, при том же малом прямом напряжении, а прямое сопротивление Rпр соответственно снижается до единиц и долей Ома.



Рисунок 1– ВАХ полупроводникового диода

Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, что и сделано на рисунке 1. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки микроампер. Вследствие различия в масштабах получился излом кривой в начале координат. При неизменном масштабе характеристика была бы плавной кривой, без излома.

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, работающие в режиме электрического пробоя (участок БВ на рисунке 1), и, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения. Стабилитроны используют обратное напряжение. На рисунке 2 показана вольтамперная характеристика стабилитрона, показывающая, что в режиме стабилизации напряжение Uст меняется мало при изменении обратного тока в широких пределах. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.



Рисунок 2 – ВАХ стабилитрона

2Ход работы

1. 
   Включить компьютер, нажав кнопку "Power".
   
2. 
   Когда запустится Windows, запустить на рабочем столе ярлык с именем «WEWB32» (рисунок 1).
   

Рисунок 1 – Ярлык программы.

3. 
   Перед вами рабочее окно программы Electronics Workbench (рисунок 2).
   

Рисунок 2 – Рабочее окно программы.

4. 
   В программе есть включатель, который находится на верхней панели инструментов, справа
   

(рисунок 3). При выполнении каких-либо изменений в схеме, схему необходимо выключить, а после выполнения изменений - снова включить!


Рисунок 3 – Включатель.

I. Измерение напряжения н тока через диод, построение ВАХ, вычисление дифференциального сопротивления диода по ВАХ.

1. 
   Для выполнения задания, открыть файл «\Схемы\09\C9_013\C9_013.CA4» папки «Схемы». Для этого выберите меню «Файл => Открыть».
   
2. 
   С помощью вертикальной и горизонтальной полос прокрутки найти изображение схемы. (Рисунок 4).
   

Рисунок 4 – Изображение схемы.

3. 
   Для снятия показаний включить цепь.
   
4. 
   После включения схемы вольтметр покажет падение напряжения на диоде при прямом включении, а амперметр значение силы тока, протекающего через диод.
   
5. 
   Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, О В записать значения напряжения ТЛпр и тока 1щ> диода в таблицу 1.
   

Для изменения ЭДС источника необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши на источник питания в схеме, выбрав в контекстном меню «Component Properties» , в открывшемся диалоговом окне на вкладке «Value» можно менять значение поля "Voltage (V): "тем самым будет изменяться напряжение источника в цепи, а значит и падение напряжения на диоде.
Таблица 1

E, В	5	4	3	2	1	0,5	0
Uпр, мВ
Iпр, мА

Таким образом, измерено падение напряжения на диоде при прямом включении и различных ЭДС.

6. 
   Открыть файл «C9_013.CA4» папки «Схемы». Устанавливая значения ЭДС источника равными 0 В, 5 В, 10 В, 15 В, измерить напряжение и ток, протекающий через диод при обратном включении. Значения силы тока I_обр и напряжения U_обр занести в таблицу 2.
   

Таблица 2.

7. 
   
   

Е,В	0	5	10	15
Uобр, мВ
Iобр, мА

7. 
   По полученным данным постройте графики I_пр (U_пр )и I_обр (U_обр).
   
8. 
   Построить касательную к графику прямой ветви ВАХ при I_пр = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной.
   

Проделать то же для I_пр = 0,4 мА, I_пр = 0,2 мА. Результаты расчетов занести в таблицу 3.
Таблица 3.

Iпр, мА	4	0,4	0,2
Uпр, В
Rдиф

7. 
   Аналогично п. 9 оценить дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В и результаты занести в таблицу 4.
   

Таблица 4.

Uобр	5В
Iобр
Rдиф

7. 
   Определить напряжение изгиба. Результаты записать.
   

Напряжение изгиба определятся из прямой ветви вольтамперной характеристики диода для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.
II. Получение ВАХ на экране осциллографа.

1. 
   Открыть файл «Схемы\09\C9_014\C9_014.CA4» папки «Схемы».
   
2. 
   Включить схему (рисунок 5).
   

Рисунок 5 – Схема подключения осциллографа.
На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА).

3. 
   Измерить и записать величину напряжения изгиба.
   

III. Снятие ВАХ при различный температурах.

1. 
   Для снятия ВАХ при различных температурах провести эксперимент I, но изменяя температуру диода.
   

Для изменения температуры диода необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши на диоде, в контекстном меню выбрать «Component Properties», в открывшемся диалоговом окне на вкладке «Analysis Setup»снять "метку" «Useglobal temperature» и в поле «Temperature» установить необходимую температуру.
IV. Измерение статического сопротивления диода.

1. 
   Открыть файл «Схемы\09\C9_011\C9_011.CA4» папки «Схемы».
   
2. 
   Включить цепь.
   
3. 
   Определить статическое сопротивление диода при прямом включении.
   

Мулътьиметр (рисунок 6) включен в режим омметра.


Рисунок 6 – Мультиметр.

4. 
   Открыть файл «Схемы\09\C9_011\C9_011а.ewb» папки «Схемы» и аналогично определить статическое сопротивление диода при обратном включении.
   
5. 
   Записать результаты измерений.
   

V. Исследование выпрямительных свойств диода.

1. 
   Открыть файл «Схемы\09\C9_002\C9_02. ewb» папки «Схемы»
   
2. 
   Включить цепь.
   

На экране осциллографа хорошо наблюдаются выпрямительные свойства диода Сигнал синего цвета -сигнал с генератора, сигнал красного цвета - выпрямленный диодом сигнал. Переключив генератор в режим генерации пилообразных и прямоугольных импульсов, хорошо заметны выпрямительные свойства диода.

При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рисунок 7).

Рисунок 7 - Параметрический стабилизатор.
Ток I_ст стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R:

I_ст =(Е - U_ст)/R

Напряжение стабилизации U_стабстабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона Р_ст вычисляется:

Р_ст = I_стU_ст

Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по наклону ВАХ.
II. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон.

1. 
   Открыть файл «Схемы\09\C9_021\C9_021.CA4» папки «Схемы»
   
2. 
   Измерить значение напряжения U_ст на стабилитроне при значениях ЭДС источника, приведенных в таблице 5 и занести результаты измерений в ту же таблицу.
   

Таблица 5.

Е,В	0	4	6	10	15	20	25	30	35
Uпр, мВ
Iпр, мА

3. 
   Вычислить ток I_ст стабилитрона для каждого значения и U_ст. Результаты вычислений занести в таблицу.
   
4. 
   По данным таблицы построить ВАХ.
   
5. 
   Оценить по ВАХ напряжение стабилизации.
   
6. 
   Вычислить мощность Р_ст, рассеиваемую на стабилитроне при напряжении Е = 20 В.
   
7. 
   Измерить наклон ВАХ в области стабилизации напряжения и оценить дифференциальное сопротивление стабилитрона в этой области.
   
8. 
   Записать полученные данные.
   

III. Получение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора.

1. 
   Подключить резистор R_L = 75 Ом параллельно стабилитрону. Е = 20 В.
   
2. 
   Включить схему.
   
3. 
   Повторить опыт при коротком замыкании и при сопротивлениях резистора R_L 100 Ом,
   

300 Ом, 600 Ом, 1 кОм.

4. 
   Рассчитать ток I₁ через резисторR, включенный последовательно с источником, ток I_L через резистор R_L, и ток стабилитрона I_ст для каждого значение R_L из таблицы 6.
   
5. 
   Результаты занести в таблицу 6.
   

Таблица 6.

RL, Ом	0	4	6	10	15	20	25	30	35
Uст, В
I1, мА
IL, мА
Iст, мА

IV. Получение ВАХ стабилитрона на осциллографе.

1. 
   Открыть файл «Схемы\09\C9_022\C9_022. ewb» папки «Схемы».
   
2. 
   Включить схему.
   
3. 
   Записать напряжение стабилизации, полученное из графика на экране осциллографа.
   

Контрольные вопросы.

1. 
   Дать определение полупроводникового диода, стабилитрона.
   
2. 
   Какими зарядами обусловлен ток диода?
   
3. 
   Почему в стабилитроне для стабилизации напряжения выбрана обратная ветвь ВАХ?
   
4. 
   Что такое ток насыщения диода?
   
5. 
   Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе.
   

Контрольные вопросы к практической работе на ПЭВМ №1
Вопросы	Ответы
1. Диод - это... 1) электрический прибор с ограниченным пропусканием напряжения; 2) сложный электронный прибор, применяемый для выпрямления переменного тока; 3) двухэлектродный прибор с односторонней электрической проводимостью; 4) прибор, сопротивление которого зависит от тока, протекающего через него.
2. Что такое ток насыщения диода? 1) ток, при котором уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника; 2) ток, при котором p и n-области насыщаются основными зарядами (прямой ток); 3) ток, протекающий при обратном включении диода; 4) ток, протекающий через диод при подаче на него переменного напряжения.
3. Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе? 1) нет, т. к. диод является нелинейным элементом; 2) нет, т. к. при измерениях на переменном токе мы получаем действующие значения; 3) да, т. к. ВАХ диода не линейна.
4.Стабилитрон - это... 1) тип интегральных микросхем, предназначенных для стабилизации напряжения; 2) сложный электронно-механический прибор, предназначенный для стабилизации напряжения; 3) прибор, выходное напряжение стабилизировано и не зависит от входного напряжения; 4) полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании участка электрического пробоя ВАХ диода.
5. Почему в стабилитроне для стабилизации напряжения выбрана обратная ветвь ВАХ? 1) т. к. на участке обратной ветви ВАХ расположена практически линейная область электрического пробоя. На этом основан принц, раб. Стабилитрона; 2)т. к. обратная ветвь ВАХ наиболее удобна для построения; 3)т. к. обратная ветвь ВАХ наиболее удобна для расчетов стабилизатора; 4) во избежание отрицательных и комплексных чисел при расчете стабилизатора.