1 лаб. Лабораторная работа 1. Исследование выпрямительных полупроводниковых диодов и кремниевых стабилитронов
 Скачать 250.5 Kb.
|
|
Лабораторная работа №1. Исследование выпрямительных полупроводниковых диодов и кремниевых стабилитронов. Цель работы: Ознакомление с рабочим стендом: определение параметров измерительных приборов и источников питания; определение параметров постоянных и переменных резисторов по закону Ома, которые будут использоваться в работе. Изучение свойств полупроводниковых диодов и стабилитронов путем практического снятия и исследования их вольтамперных характеристик. Краткие теоретические сведения. Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный полупроводниковый прибор, состоящий из кристалла полупроводника с p-n переходом и двух выводов. Принцип действия полупроводникового диода основан на использовании свойств односторонней проводимости электронно-дырочного перехода. Полупроводниковые диоды квалифицируются по различным признакам: по конструкции бывают – точечные и плоскостные, по диапазону частот низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, по назначению выпрямительные, детекторные, смесительные, генераторные, импульсные, варикапы и фотодиоды. По типу исходного материала: германиевые, кремниевые, селеновые и др. По виду вольтамперной характеристики различают: стабилитроны туннельные диоды. Свойства полупроводниковых диодов определяются по их вольтамперным характеристикам и параметрам. Выпрямительные диоды ВД — это полупроводниковые диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный в ограниченном диапазоне частот (50 Гц... 100 кГц). Кроме того, ВД широко используются в схемах управления и коммутации для, ограничения паразитных выбросов напряжений, в качестве элементов электрической развязки цепей и т. д. В настоящее время в качестве ВД широко используются кремниевые плоскостные диоды, имеющие значительно меньшие обратные токи и большие допустимые обратные напряжения, чем германиевые. Недостатком кремниевых диодов является несколько большее прямое падение напряжения, чем на германиевых. ВД выполняются на основе p-n перехода и имеют две области. Одна из них является более низкоомной (содержит большую концентрацию примеси — обычно область с проводимостью типа p)и называется эмиттером. Другая область, база — более высокоомная (содержит меньшую концентрацию примеси — обычно область с проводимостью типа n). К эмиттеру и базе подводятся металлические контакты, называемые соответственно анодом и катодом. В основе работы ВД лежит свойство односторонней проводимости p-n перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении. Сказанное отражают вольтамперные характеристики ВАХ ВД: идеального и реального. Рис. вольтамперные характеристики ВД: идеального и реального. При включении выпрямительных диодов: если входное напряжение превышает Uобр.max диода, то несколько ВД включают последовательно, а если Iпр.max диода, несколько ВД включают параллельно. Для устранения неравномерности распределения обратного напряжения между последовательно соединёнными диодами располагают шунтирующие сопротивления Rш, а для устранения неравномерности распределения токов, протекающих в параллельно включенных диодах в прямом включении, последовательно с каждым диодом включают дополнительные сопротивления Rд. Значения Rш составляют десятки – сотни килоомов, а Rд – сотни омов. Их значения должны удовлетворять соотношениям: R ш < Полупроводниковым стабилитроном называются полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения источника питания. Стабилитроны являются плоскостными кремниевыми диодами, так как обратные токи p-n переходов на его основе невелики и мало зависят от температуры, следовательно, в них меньше вероятность необратимого теплового пробоя за счёт протекания обратного тока и саморазогрева p-n перехода. Для их работы используют участок пробоя на обратной ветви вольтамперной характеристики в пределах от Iмин до Iмак. На этом участке стабилитрон работает в режиме обратимого электрического пробоя. Для стабилизации напряжений равных 0.1 - 0.5В изготавливаются специальные кремневые диоды - стабисторы которые включаются в прямом направлении. Рабочим участком вольтамперной характеристики стабисторов является восходящий участок, соответствующий прямому току. В качестве стабилитронов с Uст порядка 3 – 5В применяются диоды из низкоомного (высоколегированного примесью) материала. У стабилитронов с Uст >7В (изготавливается из более высокоомных материалов) возникает лавинный электрический пробой. В диапазоне Uст = 5…7В пробой вызван взаимодействием туннельного и лавинного механизмов. Стабилитроны используются для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней напряжений в различных схемах (отсюда происходит второе название стабилизаторов – опорные диоды). Существуют также двухсторонние (симметричные) стабилитроны, имеющие симметричные ВАХ относительно начала координат. В этом случае напряжение стабилизации при прямом смещении равно напряжению стабилизации при обратном смещении. Рис. Вольтамперная характеристика стабилитрона. Стабилитроны и стабисторы всегда включаются параллельно сопротивлению нагрузки, а последовательно со стабилитроном необходимо включать ограничительный резистор, который называется стабилизирующим. 2.Схема исследования, необходимые приборы и детали. Прямое включение диода. Обратное включение диода. 2.1.Схема исследования полупроводникового диода. Элементы схемы определяются типом исследуемого диода. Значение Э.Д.С. в прямом направлении порядка 3В, а в обратном 25 – 30В. Источник U2 служит для плавной регулировки прямого напряжения прикладываемого к диоду. Регулировка обратного напряжения осуществляется регулируемым источником U3. Внимание! Для большей точности отчётов при снятии вольтамперной характеристики в прямом направлении рекомендуется применять вольтметр PV1, а в обратном направлении вольтметром PV2, соблюдая полярность включения 2.2.Для исследования стабилитрона VD3 применяется следующая схема Прямое включение стабилитрона. Обратное включение стабилитрона. Для исследования стабилитрона VD4 применяется такая схема. Обратное включение стабилитрона. Элементы схемы и измерительные приборы подбирают в зависимости от типа исследуемого стабилитрона. Ограничительный резистор 2 имеет величину порядка 1 кОм. 3. Выполнение работы. 3 .1.Определение параметров измерительных приборов, данные занести в таблицу. №п.п. Наименование Система Род тока Класс точности Предел измерения Цена деления 1. 2. 3. 4. 3.2. Определение параметров источников питания – Е1 - Е3 (нарисовать вид). 3.3. Определение по закону Ома параметров постоянных и переменных резисторов R1 – R4, при разных значениях приложенного напряжения (два, три значения) и разных положениях переменного резистора. Привести схемы исследования. 3.4. Исследование диода VD1. 1. Сборка и опробование схемы. 2. Снятие вольтамперной характеристики Iпр = f(Uпр) при прямом напряжении приложенном к диоду. 3. Снятие вольтамперной характеристики Iобр = f(Uобр) при обратном напряжении приложенном к диоду. 4. Результаты наблюдений занести в таблицы. Прямое включение. Uпр(В) Iпр(мА) Обратное включение. Uобр(В) Iобр(мкА) 5. Построение вольтамперной характеристики диода. 6. Определение коэффициент выпрямления диода Ко. 7. Аналогично производят исследование диода VD2. Внимание! Если при испытании диода обратный ток превысит предельно допустимую величину, то испытание следует прекратить, т.к. диод к эксплуатации не годен. 3.5. Исследование стабилитрона VD3. Для снятия вольтамперных характеристик стабилитрона вначале изменяют прямое, а затем обратное напряжения. Внимание! Для построения характеристик достаточно снять 7 – 8 показаний приборов при прямом включении и 10 – 12 при обратном включении. Особенно тщательно надо снимать характеристику на участке стабилизации, т.к. здесь в широком диапазоне изменения тока стабилитрона напряжение Uс меняется незначительно. 1. Сборка и опробование схемы. 2. Снятие вольтамперной характеристики I = f(U) при прямом и обратном включениях стабилитрона VD3. 3. Данные наблюдений заносят в таблицы. Прямое включение. Uпр(В) Iпр(мА) Обратное включение. Uобр(В) Iобр(мА) 4. Построение вольтамперной характеристики стабилитрона.. Аналогично снимаются характеристики для стабилитрона VD4 КС 210 при обратном включении. Примерный вид характеристик показан на рисунках. 3.6. Сделать выводы. Контрольные вопросы: 1) Объясните вентильное действие p-n - перехода? 2) Как влияет температура окружающей среды на характеристики и параметры диода? 3) Как включаются полупроводниковые диоды, если рабочее напряжение превосходит допустимое обратное напряжение одного диода? 4) Как включаются полупроводниковые диоды, если рабочий ток превосходит допустимый ток одного диода? 5) Приведите классификацию полупроводниковых диодов? 6) Как обозначаться на схемах и маркируются полупроводниковые диоды? 7) Какой вид пробоя p-n перехода используется в кремниевом стабилитроне, почему используется кремний данного прибора и в чем состоит принцип работы? 8) Указать основные параметры стабилитрона и объяснить их физический смысл? 9) Как определяется динамическое сопротивление стабилитрона в режиме стабилизации? |