Диоды 1 Теория

• Название: Диоды 1 Теория
• Дата: 28.03.2018
• Размер: 384 Kb.
• Имя файла: Metodichka_DIODY.doc
• Тип: Документы; #39683

Диоды

1.1 Теория

Диод (рис. 2.а)  – пассивный нелинейный полупроводниковый прибор, с двумя электродами – анодом (положительным электродом диода, в котором основными носителями заряда являются дырки) и катодом (отрицательным электродом диода, в котором основными носителями заряда являются электроны).



рис. 2.а
Основой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении.

Зависимость тока, проходящего через p-n-переход, от величины и полярности приложенного к нему напряжения изображают в виде кривой, называемой вольт-амперной характеристикой диода (ВАХ).

На графике (рис.2.б) пример ВАХ диода. По вертикальной оси в верхней части обозначены значения прямого тока I_пр, а в нижней части — обратного тока I_обр.


рис. 2.б ВАХ диода
По горизонтальной оси в правой части обозначены значения прямого напряжения U_пр, а в левой части – обратного напряжения U_обр.

Вольт-амперная характеристика состоит из двух ветвей: прямая ветвь, в правой верхней части, соответствует прямому (пропускному) току через диод, и обратная ветвь, в левой нижней части, соответствующая обратному (закрытому) току через диод.

Типы диодов:

1. 
   Выпрямительные диоды могут пропускать через переход большие токи (от сотен мА до сотен А). ВАХ выпрямительного диода такая же, как у p-n-перехода, т.е. в прямой ветви большой ток при малых напряжениях, а в обратной ветви – большое напряжение при малом обратном токе.
   
2. 
   Точечные диоды могут пропускать через переход небольшие токи (десятки мА). Они рассчитаны на незначительную мощность и могут работать на высоких частотах. В прямой ветви вольтамперная характеристика ничем не примечательна, а в обратной ветви имеет значительно меньшую величину обратного тока и отсутствует явно выраженный участок насыщения. При увеличении обратного напряжения происходит равномерное увеличение обратного тока.
   
3. 
   Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды обладают минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении.
   
4. 
   Стабилитрон – полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов.
   
5. 
   Варикап - это полупроводниковый диод, который изменяет свою ёмкость пропорционально величине приложенного обратного напряжения от единиц до сотен пикофарад.P-n переход любого диода обладает так называемой барьерной ёмкостью. Сама по себе барьерная ёмкость перехода для диода нежелательна, но этот недостаток смогли использовать. В результате был разработан варикап - некий гибрид диода и переменного конденсатора, ёмкость которого можно менять с помощью напряжения.
   
6. 
   Туннельный диод отличается от других типов диодов тем, что полупроводник, идущий на его изготовление, имеет высокое содержание присадки – до 510¹⁹ атомов на см³ основного вещества. Полупроводник при такой концентрации примеси вырождается в полуметалл. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это позволяет использовать его в усилителях, генераторах синусоидальных колебаний и переключающих схемах.
   

Виды диодов:

1. 
   Особенностью германиевых полупроводниковых диодов является высокая чувствительность к изменению температуры окружающей среды. Поэтому, очень часто германиевые диоды можно использовать как датчики температуры при их обратном включении. Германиевые диоды имеют сильную зависимость обратного тока от температуры.
   
2. 
   Кремниевый диод по сравнению с германиевым допускают работу при значительно более высоких температурах и имеют большие обратные напряжения. Такие диоды имеют во много раз меньший обратный ток при одинаковом напряжении, чем германиевые. Кремниевые диоды допускают большие обратные напряжения, они более устойчивы при высоких температурах, что позволяет получить большую плотность тока. Кремниевые диоды по сравнению с селеновыми обладают большей механической и электрической прочностью, имеют больший срок службы.
   
3. 
   В селеновых диодах выпрямление переменного тока в постоянный основано на свойстве селена образовывать на своей поверхности при прохождении тока запирающий слой. Обычно слой селена наносят на железные или алюминиевые пластины так, что запирающий слой образуется между селеном и верхним электродом.
   

В данной лабораторной работе мы будем исследовать кремневые, германиевые выпрямительные диоды и точечные диоды.

1. 
   Моделирование различных схем для включения диодов в среде Multisim
   

Multisim – это один из интерактивных эмуляторов схем, который позволяет создавать и тестировать схемы. Рассмотрим основные особенности среды Multisim.

Интерфейс пользователя представлен на рис. 1.



Рис.1. Среда Multisim

Основа любой схемы – это компоненты. В Multisimесть база компонентов, доступ к которой осуществляется через проводник компонентов клавишами «Ctrl+W» или меню «Вставить» - «Компонент». Источники тока и напряжения, а также элемент заземления (Ground), находятся в разделе «Sources», резисторы в разделе «Basic», Вольтметры и амперметры – в разделе «Indicators».

После выбора компонентов из базы данных они размещаются на схеме в соединяются между собой. Чтобы начать вести соединяющий провод, кликните по разъёму одного элемента, чтобы закончить – по терминалу другого элемента. Также можно вставить отдельные провода и точки соединения горячими клавишами «Ctrl+Shift+W»и «Ctrl+J» соответственно.

Любой элемент можно отражать по вертикали / горизонтали, поворачивать. Для этого, после размещения ключа на окно схемы, щелкните по нему правой кнопкой мыши и выберите необходимый пункт.

Масштаб схемы изменяется колесиком мыши, а изменение положения –колесиком мыши и удержанием клавиши «Ctrl».

Запуск и остановка моделирования осуществляется клавишами «F5» или «F6» или с помощью кнопок на панели моделирования .

2. 
   Моделирование выпрямительных диодов в среде Multisim.
   

В среде Multisimразработаны и применятся множество моделей различных электронных компонентов. В данной работе вам предстоит познакомится с моделями трех выпрямительных диодов и построить ВАХ.

Работа с моделями выпрямительных диодов.

Собираем схему, как показано на рис.1.1.



Рис.1.1. Схема включения диода.

Источник Изменяемого постоянного напряжения

DC_INTERACTIVE_VOLTAGE (Рис.1.1.а) находитсявбазекомпонентов / Раздел «Sources» / SIGNAL_VOLTAGE_SOURSES /

DC_INTERACIVE_VOLTAGE. Двойной щелчок левой клавиши мыши, на нем поместит источник на окно схемы.



Рис.1.1.а. Источник изменяемого постоянного напряжения.

Чтобы поменять параметры источника, необходимо дважды щелкнуть по нему левой клавишей мыши. Далее необходимо выбрать максимальное/минимальное значение напряжения (20 В) (чтобы задать обратное напряжение, необходимо минимальное значение взять со знаком

«-») и шаг (приращение) 0.25%. По желанию можно изменить клавишу управления. Чтобы увеличить напряжение источника питания на один, необходимо нажать на соответствующую клавишу на клавиатуре, а чтобы уменьшить – на эту же клавишу, но с зажатой клавишей «Shift»/ Для управления используются буквы латинского алфавита, при этом в системе должна быть включена английская раскладка клавиатуры. Управление также может осуществляться ползунком, который появляется при наведение мыши на источник.

1. 
   Диод (Рис.1.1.в.).
   

Рис.1.1.в. Д310

Нужный диод вы найдете в базе компонентов, раздел «Diodes». При этом, искать диоды, необходимо из пользовательской базы данных «User database».

2. 
   Вольтметр (Рис.1.1.г): РазделIndicators/ VOLTMETER/VOLTMETER_H включается параллельно диоду, амперметр: Раздел Indicators/ AMMETER/AMMETER_H
   

рис.1.1.д Амперметррис.1.1.г Вольтметр

3. 
   Резистор (Рис.1.1.е): РазделBasic /RESISTOR/ 1.0Kподключается последовательно с диодом.
   

Он необходим, чтобы избежать короткого замыкания источника питания.



Рис.1.1.е. Резистор

4. 
   Заземление (Рис.1.1.ж.): Раздел Sources /POWER_SOURCES/ GROUND.
   

Оно необходимо для моделирования, без заземления моделирование не запустится



Рис.1.1.ж. Заземление.

1.2. Порядок измерения параметров в Multisim

Снятие ВАХ диода .

Запускаем моделирование схемы. Изменяя напряжение на источнике с определенным шагом, измеряем напряжение и ток на диоде с помощью вольтметра и амперметра. При снятии значений в прямой ветви с помощью источника напряжения задается определенный прямой ток и измеряется напряжение на диоде. При построении обратной ветви – наоборот выставляется значение напряжения, а измеряется ток.

Останавливаем моделирование после получения всех требуемых значений. Подключаем следующий диод.

Полученные значения заносим в таблицу Exсel (Таблица 1).

Таблица 1

Д310	Прямая ветвь
	Ток, мА	0.5	1	2	4	6	8	10	15	20
	Напряжение, В
	Обратная ветвь
	Ток, мкА
	Напряжение, В	2	4	6	8	10	15	20

1. 
   Экспериментальное исследование схемы диода на учебном стенде
   
   2. 
      . Описание стенда
      

На лабораторном стенде самостоятельно собрать схему (рис. 2.2.).



рис. 2.2. Схемы включения диода

2. 
   . Порядок измерения параметров с помощью измерительных приборов
   

Снятие ВАХ диода .

Прямая ветвь снимается до предельного тока, определяемого сопротивлением R и величиной напряжения источника питания. Все экспериментальные данные занести в таблицу Excel (Таблица 1). Аналогично работе с идеальными диодами: при снятии прямой ветви диода особое внимание уделить начальному участку характеристики. Прямая ветвь: 8-10 точек, изменяя ток на 2А. Обратная ветвь: 8-10 точек, изменяя напряжение через 2 В.

3. Сравнение полученных характеристик и выводы

В Excel постройте ВАХ реального диода и ВАХ идеальных диодов. Сравните полученные характеристики. Проанализировав графики, определите, каким был реальный диод. Сформулируйте выводы.

Расчет статического и дифференциального сопротивления. Для этого по найденным ВАХ определить прямое и обратное статическое сопротивление диода (прямое сопротивление найти в точке максимального снятого тока и на пологом участке характеристики). Найти дифференциальное сопротивление диода на восходящем и пологом участках ВАХ прямой ветви.

Составление отчета.