методичка. методичка по лабам Основы электроники. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине Основы электроники
 Скачать 2.57 Mb.
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1ИССЛЕДОВАНИЕ НА WORKBENCH СХЕМ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ Цель работы: Целью работы является изучение конструкции, принципов действия, классификации полупроводниковых диодов, а также освоение методов моделирования основных типов схем, использующих полупроводниковые диоды, в среде ELECTRONICS WORKBENCH. Содержание работы: Исследование характеристик и параметров диодов. Построение ВАХ. Исследование параметров и характеристик стабилитронов. Исследование схем выпрямителей. Инструменты: Функциональный генератор (панель Instruments). Мультиметр (панель Instruments). Осциллограф (панель Instruments). Источник постоянного (переменного) напряжения (панель Sources). Диод 1N4001(панель Diodes, Models/1n или ideal). Стабилитрон 1N4733 (панель Diodes, Models/1n). Диодный мост 1N4001 (панель Diodes, Models/1n или ideal). Резисторы (панель Basic). Трансформаторы (панель Basic, Models/ideal). При выборе модели трансформатора нажать Edit и в поле “Primary winding resistance” ввести значение 10, а в поле “Secondary winding resistance” - значение 5. Теоретические сведения: Диод – полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, обладающий вентильным свойством (ток в одном из направлений проводиться значительно лучше, чем в другом). Р-n переход возникает в небольшой зоне соединения полупроводника p-типа и полупроводника n-типа, в которой происходит диффузия электронов из n-области в p-область. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на границе p-n перехода в обе стороны не возникает область, свободная от основных носителей (свободных дырок или электронов примеси), которая называться обеднённой. Кроме того, на подложке присутствуют ещё и неосновные носители зарядов, возникающие в результате тепловых процессов. В обеднённой зоне возникает внутренняя ЭДС, которая называется потенциальным барьером, препятствующая дальнейшему движению электронов через p-n переход при достижении равновесия. Для того, чтобы преодолеть барьер, необходимо подключить внешний источник ЭДС. Вольт-амперная характеристика диода (зависимость тока, протекающего через диод от приложенного к нему напряжения), описывается выражением:  ,где: IS – значение тока насыщения, теплового или обратного тока, UД – напряжение на p-n переходе (на диоде), φt = k*T/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения (при нормальной температуре φt = 0.025В), k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, q – заряд электрона.  Рисунок 1. – ВАХ диода. Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, легко определяемыми по ВАХ. Дифференциальное сопротивление (RД) численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как котангенс угла А на ВАХ. Статическое сопротивление (Rст) численно равно отношению напряжения на элементе Ue к прошедшему через него току Ie (Рисунок 1.). При прямом включении источника питания обеднённая зона в полупроводнике сужается, а при значительном напряжении почти совсем пропадает (прямое смещение) – прямая ветвь ВАХ диода. При этом на p-n переходе присутствует постоянное падение напряжения (0,1-0,2)B для германия и 0,6В – для кремния. Ток через диод в данном случае можно определить по формуле: Iпр =  .При обратном включении источника питания обедненная область p-n перехода увеличивается, расширяя границу раздела и тем самым препятствуя прохождению тока (обратная ветвь ВАХ p-n перехода). Здесь происходит обратное смещение p-n перехода. Ток через диод определяется как: Iобр =  .Диффузионная ёмкость возникает вблизи контактного слоя p-n перехода за счёт изменения заряда, вызванного изменением прямого напряжения. Зависимость Сдиф от значения прямого тока Iпр имеет вид: Сдиф =  , где τр – время жизни дырок в базе диода (в переходе n-типа). Диффузионная ёмкость будет тем больше, чем больше прямой ток через переход и чем больше время жизни неосновных носителей заряда в области базы диода (область с меньшей концентрацией носителей, n-область). Диффузионная ёмкость обращается в ноль при Iпр = -Iобр . На внешних зажимах Сдиф даёт емкостной фазовый сдвиг между током и напряжением.Барьерная ёмкость возникает при обратном напряжении на переходе и обусловлена изменением в нём объёмного заряда. Собщ = Сдиф + Сбар . Сдиф > Сбар (по абсолютной величине). Классификация диодов. Все диоды можно разбить на две большие группы – выпрямительные и специальные. Выпрямительный диод использует вентильные свойства p-n перехода и применяется в выпрямителях переменного тока. Он представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, а при обратном – разомкнут. Однако в обоих этих случаях ключ не является идеальным. При подаче прямого напряжения за счёт падения напряжения Uпр на открытом диоде выпрямленное напряжение, снимаемое с нагрузки, несколько ниже входного напряжения. Значение Uпр для открытых германиевых диодов порядка 0.5В, а для кремниевых – 1,5В. Основными параметрами выпрямительных диодов являются: Iпр ср мах – максимальное (за период входного напряжения) значение среднего прямого тока диода; Uобр доп – наибольшее допустимое значение постоянного обратного напряжения диода; fмах – максимальная допустимая частота входного напряжения; Uпр – прямое падение напряжения на диоде при заданном прямом токе; Umax – максимальное обратное напряжение на диоде. Выпрямители напряжения, построенные с использованием полупроводниковых диодов, можно разделить на однополупериодные, двухполупериодные со средней точкой и двухполупериодные мостовые. Однополупериодный: Основные расчётные формулы:  Uср = Uвх *  ; Uвх = 2,22*Uср ; Iср = Uср /Rн ; ε = π/2=1,57; Uобр мах =*Uвх = π*Uср; Iд ср = Iср; Iд мах =* Uвх / Rн = π* Iср ; fвых =fвх . Рисунок 2. – Схема однополупериодного выпрямителя (схема электрическая принципиальная). Двухполупериодный со средней точкой: Основные расчётные формулы:  Uср = U2 * = 0,9*U2 , где U2 – действующее значение каждой половины вторичной обмотки трансформатора; U2 = 1,11*Uср ; Iср=Uср/Rн ; ε =0,67; Uобр мах=*U2 =π*Uср; Iд ср=1/2*Iср; Iд мах =*U2/Rн =Iср*π/2; fвых =2*fвх . Рисунок 3. – Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой. Самой применяемой схемой является схема мостового двухполупериодного выпрямителя:  Основные расчётные формулы: Uср =Uвх*2 =0,9*Uвх; Uвх=1,11*Uср; Iср=Uср/Rн; ε =0,67; Uобр мах = *Uвх= π*Uср/2; Iд ср=1/2*Iср; Iд мах =*Uвх/Rн=Iср*π/2; fвых =2*fвх. Рисунок 4. – Схема мостового двухполупериодного выпрямителя. где: Uср и Iср – среднее значение напряжения и тока выпрямителя; Uобр – максимальное значение обратного напряжения на диоде(при воздействии отрицательной полуволны); ε – коэффициент пульсации выходного напряжения; Iд ср – среднее значение тока диода; Iд мах – максимальное значение тока диода; fвх – входная частота; fвых - выходная частота. На мостовом двухполупериодном выпрямителе частота выходного сигнала в два раза больше частоты входного сигнала. Кроме того, максимальное обратное напряжение в два раза меньше, чем у однополупериодного и двухполупериодного со средней точкой. Это позволяет диодам работать в более “щадящем” режиме. Поэтому мостовая схема выпрямителя самая распространённая. По мощности выпрямительные диоды классифицируют на: Маломащные (Iпр ср мах <=0,3А); Средней мощности (0,3A < Iпр ср мах <= 10A); Большой мощности (Iпр ср мах >10А). По частоте выпрямительные диоды классифицируют на: Низкочастотные (fмах < 1000Гц); Высокочастотные (fмах > 1000Гц). |