Лабораторная работа по электронике, электротехнике, радиотехнике (Вариант 8)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 1 Исследование полупроводникового диода 1.1 Цель работы Изучение устройства полупроводникового диода, физических процессов, происходящих в нём; исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов. 1.2 Подготовка к лабораторной работе Изучить следующие вопросы курса: Электрические свойства полупроводников. Собственные и примесные полупроводники Электронно-дырочный переход и его характеристики. Прямое и обратное включение p-n перехода. Вольтамперная характеристика и параметры полупроводникового диода Типы полупроводниковых диодов, их особенности и характеристики. 1.3 Полупроводниковые диоды, исследуемые в работе В работе исследуются диоды различных типов: германиевые, кремниевые, плоскостные, точечные, стабилитроны, стабисторы. Основные паспортные данные предложенных для исследования диодов (по заданию преподавателя) студенты находят в справочной литературе. 1.4 Схемы исследований На рис.1.4.а. и 1.4.б. приведены схемы для снятия вольтамперной характеристики диода. Необходимость использования двух схем для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики вызвана тем, что, во-первых, напряжение на диоде при прямом включении значительно меньше, чем при обратном, и, во-вторых, прямые токи значительно больше чем при обратном. Поэтому используются разные источники питания «Еп1» и «Еп2» и последовательность включения измерительных приборов для снятия прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики. Пределы измерения приборов следует выбирать с учетом паспортных данных диода. При исследовании прямой ветви вольт– амперной характеристики диода нужно использовать источник питания Еп1, в качестве ограничительного сопротивления использовать резистор в 100 Ом – рис.1.4. На рис. 1.5. приведена схема однополупериодного выпрямителя, построенного на полупроводниковом диоде. Напряжение подается с выхода генератора гармонических колебаний. Форму подводимого напряжения , напряжения на аноде диода и на нагрузке студенты наблюдают с помощью осциллографа. 1.5 Задание к работе в лаборатории 1.Изучить особенности конструктивного выполнения и паспортные данные полупроводниковых диодов различных типов, представленных для исследования. 2.Собрать схему для снятия вольтамперной характеристики диода при прямом включении (рис.1.4.а.). 3.Снять вольтамперные характеристики диодов, предложенных преподавателем, при прямом включении. Не превышать предельно допустимые токи в прямом направлении. 4.Собрать схему для снятия вольтамперной характеристики диодов при обратном включении (рис. 1.4.б.). ВНИМАНИЕ! При снятии обратной вольтамперной характеристики стабилитронов амперметр и вольтметр переключить как на рисунке 1.4.а и во избежание порчи миллиамперметра установить максимальный предел его измерения. 5.Снять вольтамперные характеристики диодов при обратном включении диода. Не превышать предельно допустимые обратные напряжения. 6.Собрать схему однополупериодного выпрямителя на основе выпрямительного диода (рис.1.5.). В качестве диода использовать выпрямительный диод. 7.Подать на вход выпрямителя с выхода генератора гармонических колебаний сигнал амплитудой (2…3) В и частотой 1кГц. Включить осциллограф и зарисовать осциллограммы при постоянной амплитуде входного сигнала: а) подводимого выпрямителю переменного напряжения ; б) напряжения на диоде ; в) напряжения на нагрузке . 8.Измерения пункта 7 повторить на частотах 100кГц и 1МГц. При этом особо обратить внимание на изменения формы сигналов на нагрузке с ростом частоты. 1.6 Указания к выполнению лабораторной работы Лабораторная работа выполняется на компьютере при помощи программы NI Multisim-10. 1.7 Указания к составлению отчета 1.Привести схемы исследования, паспортные данные исследуемых приборов и таблицы результатов измерений. 2.Построить вольтамперные характеристики исследуемых выпрямительных диодов, используя различный масштаб для прямого и обратного включения. 3.Определить по графику пороговые напряжения и рассчитать прямое и обратное сопротивления диодов в заданных рабочих токах. 4.Построить вольтамперную характеристику исследуемого стабилитрона. Отметить участок стабилизации напряжения, напряжения стабилизации и дифференциальное сопротивление на участке стабилизации. 5.Привести в масштабе осциллограммы подводимого напряжения, напряжения на диоде и на нагрузке. 6.Сделать выводы по проделанной работе: сравнить экспериментально определенные параметры с паспортными; провести анализ осциллограмм, снятых на разных частотах. 2 Выполнение лабораторной работы №1- — п/п диод 2.I Снятие прямых ветвей вольт — амперных характеристик диодов 1. На сменной панели соберём в программе моделирования электронных схем Multisim 10 схему для измерения прямых ВАХ (рис.2.1). Рисунок 2.1 – Схема цепи для измерения прямых ВАХ Рисунок 2.2 – Схема цепи для измерения обратных ВАх Таблица 2.1 – Результаты измерений 2. Установить кремневый диод, выберем выпрямительный диод BAY80 [9] и Приложение А (технические данные), проверив полярность подключения. Постепенно повышая величину напряжения, подаваемого от источника питания генератор тока (ГТ), провести не менее 5 измерений прямого тока Iпр и напряжения Uпр. При этом Uпр не поднимать выше 0,4 В. Данные измерений внести в табл.2.1 и построить график ВАХ – рис.2.3. Рисунок 2.3 – ВАХ кремниевого диода BAY80 2.2 Снятие обратных ветвей ВАХ диодов 1. Собрать схему для измерения обратных ВАХ (рис.2,2). 2. Установить кремниевый диод BAY80. Постепенно повышая величину напряжения, подаваемого от источника питания генератора напряжения (ГН), провести не менее 5 измерений обратного тока Iобр и напряжения Uобр. Данные измерений внести в таблицу 1. 3. По данным табл.1 построить на одном графике полную ВАХ кремниевого диода BAY80. 4. При нехватке данных для построения более качественного графика, произвести дополнительные измерения. 2.3 Исследование выпрямителя Модель схемы выпрямителя на исследуемом диоде BAY80 приведена на рис.2.4. Форма входного напряжения и форма напряжения на нагрузке RH приведены на рис.2.5. Форма напряжения на диоде D1 приведена на рис.2.6, 2.9, 2.10. Форма входного напряжения 3В, 100 кГц и форма напряжения на нагрузке RH приведены на рис.2.7. Форма входного напряжения 3В, 1 МГц и форма напряжения на нагрузке RH приведены на рис.2.8. Рисунок 2.4 — Модель схемы выпрямителя на исследуемом диоде BAY80 Рисунок 2.5 — Форма входного напряжения 3В, 1 кГц (вверху) и форма напряжения на нагрузке RH Рисунок 2.6 — Форма напряжения на диоде D1 Рисунок 2.7 — Форма входного напряжения 3В, 100 кГц (вверху) и форма напряжения на нагрузке RH Рисунок 2.8 — Форма входного напряжения 3В, 1 МГц (вверху) и форма напряжения на нагрузке RH Рисунок 2.9 — Форма напряжения на диоде D1 на частоте 100 кГц Рисунок 2.10 — Форма напряжения на диоде D1 на частоте 1 МГц Выводы. С увеличением частоты входного сигнала выпрямителя, появляются искажения в сигналах на нагрузке и на выпрямительном диоде D1. Это можно объяснить тем, что на выходной сигнал начинают, в основном, влиять паразитные емкости диода D1. Пороговое напряжение по рис.2.3 равно Uпор.пр≈0.8В. Дифференциальное сопротивление (прямое), определенное по снятой экспериментально ВАХ (зелёный треугольник, рис.2.3) равно R_д=ΔU/ΔI=(1.0-0.92)/((200-150)*〖10〗^(-3) )≈2 Ом. Что соответствует паспортным данным ≤5 Ом на данный тип диода (см. Приложение А). По табл.1 находим прямое сопротивление диода (по прямой ветви ВАХ) R_пр=ΔU/ΔI=(0.940-0.916)/((150-125)*〖10〗^(-3) )≈1 Ом и обратное сопротивление диода (по обратной ветви ВАХ) R_обр=ΔU/ΔI=(20-10)/((3,5-2)*〖10〗^(-3) )≈6,7 МОм. 3 Выполнение лабораторной работы №1 — стабилитрон Выполним пункты задания лаб. раб. №1 для стабилитрона, включив в схему резистор Rб=R2 рис.3.1. Сравним ВАХ стабилитрона и ВАХ обычного выпрямительного диода. По ВАХ стабилитрона, снятым на постоянном токе, определить напряжение стабилизации Uст и дифференциальное сопротивление rдст (на участке стабилизации). Выберем стабилитрон 1N4465 с напряжением стабилизации 10 В [10] – технические данные приведены в Приложении Б. Рисунок 3.1 – Схема измерения ВАХ для обратной ветви стабилитрона Таблица 3.1 — Результаты измерений ВАХ стабилитрона на постоянном токе для обратной ветви –режим стабилизации Рисунок 3.2 – ВАХ стабилитрона в режиме стабилизации (обратная ветвь) Определим дифференциальное сопротивление rд ст (на участке стабилизации) по табл.3.1 (точнее, чем на графике) r_(Д СТ)=((10049-10000))/((38-23) )=3,27 Ом. Мы видим, что стабилитрон имеет диапазон напряжение стабилизации от 9,962В до 10.109В (выделено красными линиями). Прямая ветвь стабилитрона, снятая по схеме рис.3.3 приведена на рис.3.4. Рисунок 3.4 – Схема измерения ВАХ для прямой ветви стабилитрона Таблица 3.2 — Результаты измерений ВАХ стабилитрона на постоянном токе для прямой ветв Рисунок 3.5 –ВАХ для прямой ветви стабилитрона Определить рабочую точку на ВАХ для прямой ветви стабилитрона затруднительно, т.к. в таком режиме стабилитроны в радиоэлектронных устройствах не используются. Оценить дифференциальное сопротивление для прямой ветви стабилитрона можно, оно равно (табл.3.2) r_(Д СТ ПР)=((0.863-0.713))/((0.010-0.001) )≈17 Ом. Сравним ВАХ стабилитрона рис.3.2 с ВАХ выпрямительного диода рис.2.3. Выводы. Мы видим, что у выпрямительного диода обратный ток плавно возрастает с ростом напряжения вплоть до пробоя диода, у стабилитрона же обратный ток в зоне зенеровского пробоя возрастает, а напряжение практически не растет (у нашего стабилитрона ≈10 В) до уровня прямого пробоя — ≈10,3 В.