электроника 3. Лабораторная работа 5m исследование стабилитрона цель Исследование характеристики и параметров стабилитрона

• Название: Лабораторная работа 5m исследование стабилитрона цель Исследование характеристики и параметров стабилитрона
• Дата: 27.03.2022
• Размер: 205.72 Kb.
• Имя файла: электроника 3.docx
• Тип: Лабораторная работа; #420460

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5M
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИТРОНА
Цель: Исследование характеристики и параметров стабилитрона.

Приборы и элементы

Название	Графическое изображение
Функциональный генератор
Мультиметр
Осциллограф
Источник постоянного напряжения
Стабилитрон 1N4733
Резисторы

2.1 Теоретические сведения
При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рисунок 1). Ток стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R:

I_CT=(E-U_CT)/R.

Напряжение стабилизации U_стаб стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона Р_СТ вычисляется как произведение тока на напряжение:

Р_СТ= I_CT *U_CT.

Дифференциальное сопро­тивление стабилитрона вычис­ляется так же, как для диода, по наклону вольтамперной характеристики.



Рисунок 1

2.2 Порядок проведения экспериментов
Результаты всех измерений, расчетов и осциллограммы занести в раздел «Результаты измерений».
Эксперимент 1 - Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон

1) Соберите схему в соответствии с рисунком 1. Измерьте значение напряжения U_CT на стабилитроне при значениях ЭДС источника 0, 4, 6, 10, 15, 20, 25, 30, 35 В.

2) Вычислите ток I_CT стабилитрона для каждого значения напряжения U_CT .

3) По данным таблицы постройте вольтамперную характеристику стабилитрона.

4) Оцените по вольтамперной характеристике стабилитрона напряжение стабилизации.

5) Вычислите мощность Р_СТ , рассеиваемую на стабилитроне при напряжении Е = 20 В.

6) Оцените дифференциальное сопротивление стабилитрона в области стабилизации.
Эксперимент 2 - Получение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора

1) Подключите резистор R2 =75 Ом параллельно стабилитрону. Значение источника ЭДС установите равным 20В. Включите схему. Запишите значение напряжения U_CT на стабилитроне.

2) Повторите пункт а) при коротком замыкании и при сопротивлениях резистора R2 75 Ом, 100 Ом, 200 Ом, 300 Ом, 600 Ом, 1 кОм.

3) Рассчитайте ток I₁ через резистор R1, включенный последовательно с источником, ток I₂ через резистор R2, и ток стабилитрона I_CT для каждого значения R2.
Эксперимент 3 - Получение ВАХ стабилитрона на экране осциллографа

Соберите схему в соответствии с рисунком 2. Включите схему. Запишите напряжение стабилизации, полученное из графика на экране осциллографа.


Рисунок 2

2.3 Результаты экспериментов

Эксперимент 1 - Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон

1)Измерьте значение напряжения U_CT на стабилитроне при значениях ЭДС источника 0, 4, 6, 10, 15, 20, 25, 30, 35 В.

Таблица 1

№	Е, В	UCT, В	ICT, мА
1	0	0
2	4	4
3	6	5,0497	3,1676
4	10	5,1752
5	15	5,2985
6	20	5,4144
7	25	5,5272
8	30	5,6385
9	35	5,7487

2) Вычислите ток I_CT стабилитрона для каждого значения напряжения U_CT .
Ток стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R:
I_CT=(E-U_CT)/R





3) По данным таблицы постройте вольтамперную характеристику стабилитрона.

4) Оцените по вольтамперной характеристике стабилитрона напряжение стабилизации.
U_стаб= 5,05 В

5) Вычислите мощность Р_СТ , рассеиваемую на стабилитроне при напряжении Е=20В.
Мощность рассеивания стабилитрона Р_СТ вычисляется как произведение тока на напряжение:
Р_СТ= I_CT *U_CT


6) Оцените дифференциальное сопротивление стабилитрона в области стабилизации.
R_диф = 0,65 Ом

Эксперимент 2 - Получение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора


1) Подключите резистор R2 =75 Ом параллельно стабилитрону. Значение источника ЭДС установите равным 20В. Включите схему. Запишите значение напряжения U_CT на стабилитроне.
2) Повторите пункт а) при коротком замыкании и при сопротивлениях резистора R2 75 Ом, 100 Ом, 200 Ом, 300 Ом, 600 Ом, 1 кОм.

Таблица 2

№	R2, Ом	UCT, В	I1, мА	I2, мА	ICT, мА
1	75	4	53,33333	53,33333	0
2	100	4,973	50,09	49,73	0,4
3	200	5,0869	49,71033	25,4345	24,3
4	300	5,0964	49,67867	16,988	32,7
5	600	5,1041	49,653	8,50683	41,1
6	1 К	5,1069	49,64367	5,1069	44,5
7	к.з.	0		0

3) Рассчитайте ток I₁ через резистор R1, включенный последовательно с источником, ток I₂ через резистор R2, и ток стабилитрона I_CT для каждого значения R2.

I₁=(E-U_CT)/R





I₂=U_CT/ R₂






I_CT= I₁ - I₂




Эксперимент 3 - Получение ВАХ на экране осциллографа

Напряжение стабилизации, определенное из вольтамперной характеристики, полученной при помощи осциллографа, U_стаб = 485 мВ .

Стабилитрон имеет все те же характеристики, что и диод, плюс добавляется так же напряжение стабилизации Uст или nominal zener voltage. Оно указывается при определенном токе стабилизации Iст или test current. Также в документации на стабилитроны указываются минимальный и максимальный ток стабилизации. При изменении тока от минимального до максимального, напряжение стабилизации несколько плавает, но незначительно.


Рисунок 3 – Вольт-амперные характеристик стабилитрона

Рабочая зона стабилитрона обозначена зеленым цветом. На рисунке видно, что напряжение на рабочей зоне практически неизменно при широком диапазоне изменения тока через стабилитрон.

Чтобы выйти на рабочую зону, надо установить ток стабилитрона между [Iст. min – Iст. max] с помощью резистора. При меньшем токе, чем Iст. min стабилитрон не откроется, а при большем, чем Iст. max – возникнет необратимый тепловой пробой, т.е. стабилитрон просто сгорит.

Т.о. параметры стабилитрона:

1. Uст – напряжение стабилизации (при заданном токе в режиме пробоя);

2. Iст.мин – минимально допустимый ток стабилизации;

3. Iст.макс – максимально допустимый ток стабилизации;

4. r_ст – дифференциальное сопротивление стабилитрона r_ст = du/di;

5. α_u (ТКН) – температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Величины Uст , Iст.мин и Iст.макс принято указывать как положительные.

Контрольные вопросы

1. 
   Почему полупроводниковые стабилитроны изготавливаются из кремния?
   
2. 
   Для чего необходимо балансовое сопротивление в схеме включения стабилитрона?
   
3. 
   Что такое температурный коэффициент напряжения?
   
4. 
   Объясните физический смысл основных параметров кремниевых стабилитронов?
   
5. 
   Что такой пробой и виды пробоев?
   
6. 
   Могут ли кремниевые стабилитроны работать в режиме теплового пробоя?
   
7. 
   Влияет ли значение сопротивления нагрузки на степень стабилизации выходного напряжения стабилизатора?
   
8. 
   Как изменяется напряжение стабилитрона U_СТ, когда ток стабилитрона становится ниже 20 мА?
   
9. 
   Каково значение тока стабилитрона I_CT при входном напряжении 15В?
   
10. 
    Каково значение тока стабилитрона I_CT при значении сопротивления R1=200 Ом?
    
11. 
    Как изменяется напряжение U_СТ на выходе стабилизатора, при уменьшении сопротивления R1?
    

Диоды принято классифицировать по нескольким параметрам. В зависимости от рабочих частот, они могут быть низко-, высокочастотными, а также способными функционировать в условиях сверхвысоких частот. Также существует деление и в соответствии с конструктивными особенностями, где можно выделить следующие виды диодов.

Выпрямительные диоды применяют для выпрямления переменных напряжений низких и высоких частот.

Диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты, называют высокочастотными. СВЧ ‑диоды используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц, а также в каскадах преобразования частоты радиоприемных устройств. В качестве высокочастотных обычно применяют точечные диоды.

Импульсные диоды позволяют уменьшить время восстановления свойств диода при изменении полярности приложенного напряжения.

Диод Шоттки — вместо привычного p-n-перехода используется металл. С одной стороны, это позволяет добиться минимальных потерь напряжения при прямом включении. Однако, с другой, при высоком обратном токе, изделие быстро выходит из строя.

Стабилитрон — позволяет стабилизировать напряжение.

Стабистор — отличается от стабилитрона меньшей зависимостью напряжения от тока.

Диод Гана — лишен p-n перехода, вместо которого используется особый кристалл. Используется для работы в диапазоне сверхвысоких частот.

Варикап — представляет собой сочетание диода с конденсатором. Емкость изделия зависит от обратного напряжения в области p - n перехода, а применяется он при создании колебательных контуров.

Фотодиод — попадание светового потока на токовый переход приводит к созданию в нем разности потенциалов. Если замкнуть в этот момент цепь, то в ней появится ток.

Светодиод — при достижении определенного показателя тока в p - n переходе, устройство начинает излучать световой поток.

Туннельные диоды, в отличие от рассмотренных выше диодов, являющихся лишь преобразователями электрического тока, обеспечивают усиление электрических сигналов. При туннельном переходе электроны не затрачивают энергию, и переход совершается со скоростью, близкой к скорости света. Это позволяет использовать туннельные диоды для генерирования и усиления СВЧ-сигналов, создания сверхбыстродействующих переключателей различных сверхбыстрых устройств.

Лавинно‑пролетные диоды. Для генерированимя СВЧ'колебаний часто применяют лавинно-пролетные диоды, работающие при обратном напряжении на n - p переходе в режиме электрического пробоя и лавинного умножения числа носителей заряда, что приводит в некоторых режимах работы к появлению отрицательного динамического сопротивления.

Таблица 2.1

Тип диода	Условное обозначение	Характеристика
Выпрямительный
Диод Шотки
Стабилитрон
Стабистор
Варикап
Туннельный диод
Обращенный диод