Задание к лабораторной работе

С помощью функционального генератора среды Multisim и генератора Л31, входящего в лабораторный комплект сформировать сигналы, параметры которых указаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Параметры сигналов

Тип сигнала	Параметры
	Um, В	T, c	tи, с	tр, с	tо, с
постоянный		х	х	х	х
гармонический			х	х	х
импульсный				х	х
пилообразный			х

Порядок выполнения работы

1. Подключить генератор Л31 к гнёздам «Вход ГС1» блока управления БУ К32. Блок мультиметра К 32 подключить к разъёмам «Выход~» или «Выход=». Вставить макетную плату в БУ К32.

2. В среде Multisim подключить функциональный генератор XPG1 ко входу осциллографа XSC1 (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Схема для исследования параметров сигналов в среде Multisim

3. Сформировать сигналы, указанные в задании (таблица 3.1). Полученные сигналы зафиксировать с помощью осциллографа. Определить параметры сигналов. Результаты занести в таблицу 3.2 (моделирование).

Таблица 3.2 – Результаты измерений

Тип сигнала		Um, В
постоянный	моделирование
	эксперимент

Тип сигнала		Um, В	U, В	Т, с	f, Гц
гармонический	моделирование
	эксперимент

Тип сигнала		Um, В	Т, с	tи, с	q	γ	τф, с	τс, с	Sф, В/с	Um обр, В	tвос, с
импульсный	моделирование
	эксперимент

Тип сигнала		Um, В	Т, с	tр, с	tс, с	ξ
пилообразный	моделирование
	эксперимент

4. Разработать виртуальный прибор для исследования параметров сигналов в среде LabVIEW (рисунок 3.4). Блок-диаграмма виртуального прибора (рисунок 3.5) содержит следующие блоки: «DAQ Assistant» - обеспечивает сбор данных с устройства NI USB-6009, «Amplitude and Level Measurements» - для определения действующего значения и постоянной составляющей напряжения, «Tone Measuremetnts» - для определения амплитуды и частоты сигнала, «Spectral Measuremetnts» - для определения спектра сигнала.

Рисунок 3.4 – Виртуальный прибор для исследования параметров сигналов в среде LabVIEW

Рисунок 3.5 – Блок-диаграмма для исследования параметров сигналов в среде LabVIEW

5. С помощью генератора Л31 и блока управления БУ К32 сформировать сигналы, указанные в задании (таблица 3.1). Исследовать полученные сигналы с помощью виртуального прибора. Результаты занести в таблицу 3.2 (эксперимент).

6. Сделать выводы по результатам работы.

Содержание отчёта

Отчёт по работе должен содержать: цель работы, задание к работе, распечатку «окна схемы» среды Multisim, распечатку лицевой панели и панели блок-диаграммы в среде LabVIEW, таблицу с результатами измерений, выводы по работе.

Лабораторная работа №4. Исследование работы выпрямительного диода

Цель работы: изучение принципа функционирования, характеристик и параметров выпрямительных диодов.

Общие сведения

Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода и один (или не­сколько) р-n-переходов, называется диодом.

На рисунке 4.1а приведено условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, его структура - на рисунке 4.16. Электрод диода, под­ключенный к области р, называют анодом, а электрод, подключенный к области п, -катодом.

Рисунок 4.1 - Условное обозначение (а), структура (б) и статическая вольт-амперная характеристика (в) полупроводникового диода

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Они являются одним из наиболее распространённых типов полупроводниковых диодов. Основное свойство выпрямительных диодов – односторонняя проводимость, наличие которой определяет эффект выпрямления.

В основе структуры выпрямительных диодов лежит несимметричный p-n переход, в котором различие в концентрации основных носителей в каждой из областей значительно.

В сильнолегированную эмиттерную область (например, в область р на рисунке 4.1б) вводится больше примеси, она имеет большую концентрацию основных носителей, чем высокоомная, слаболегированная база (область n).

При подаче прямого напряжения на диод p-n переход смещается прямо и происходит преимущественная инжекция дырок из эмиттера в базу, образуя диффузионный ток. При обратном напряжении в p-n переходе наблюдается экстракция неосновных носителей, которая определяет дрейфовый ток через переход. Поскольку концентрация основных в р- и n- областях носителей значительно превышает концентрацию неосновных носителей, то и величина прямого и обратного тока в выпрямительных диодах отличается на несколько порядков.

Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния, германия или арсенида галлия. Классифицировать выпрямительные полупроводниковые диоды можно по конструкции и технологии изготовления. В зависимости от конструкции такие диоды делятся на плоскостные и точечные, а в зависимости от технологии изготовления - на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Плоскостные диоды имеют большую площадь р-п-нерехода и используются я выпрямления больших токов (до 30 А). Точечные диоды имеют малую пло­щадь p-n-псрехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов (до 30 мА).

Обычно выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях, лежащих в диапазоне до 1000 В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие аз ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, в этом случае выпрямляемое напряжение удается повысить вплоть до 15 000 В.

Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полу­проводниковые диоды большой мощности называют силовыми. Они позволяют выпрямлять токи силой вплоть до 30 А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, поскольку германий характеризуется силь­ной зависимостью обратного тока через p-n-переход от температуры.

Сплавные диоды чаще всего используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпи­таксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшими частотными характеристи­ками обладают арсенидгаллиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.

Статическая вольт-амперная характеристика диода показана на рисунке 4.1в.

Возможности полупроводникового диода как выпрямителя характеризуют следующие электрические параметры:

1. U_пр – постоянное прямое напряжение на диоде при заданном значении прямого тока, обычно не превышает 1В для германиевых и 2В для кремниевых диодов. Эта величина связана с величиной контактной разности потенциалов, которая у кремния выше, чем у германия.

2. I_пр – постоянный выпрямленный ток через диод при заданном прямом напряжении. По величине выпрямленного тока диоды делятся на диоды малой мощности (I_пр<0,3А), средней (0,3<I_пр<10А) и большой (I_пр>10А) мощности. При больших I_пр в диоде вследствие падения напряжения на нём выделяется тепло. Поэтому выпрямительные диоды большой мощности отличаются от остальных типов диодов большими размерами корпуса и внешних выводов, необходимых для теплоотвода. Эти диоды называют силовыми и часто снабжают специальными радиаторами, позволяющими увеличить рассеиваемую мощность.

3. I_обр – обратный ток, протекающий через диод при заданном обратном напряжении, обычно указывается для вполне определённой температуры, так как сильно зависит от неё. У германиевого и кремниевого диодов I_обр различаются очень сильно, что объясняется различной шириной запрещённой зоны германия и кремния.

4. R_диф – дифференциальное сопротивление диода, определяется как отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.

Как любой электронный прибор выпрямительный диод наряду с электрическими параметрами характеризуется предельно допустимыми значениями:

1. I_прmax – максимальный допустимый прямой ток, значение которого ограничивается разогревом p-n перехода.

2. U_обрmax – максимально допустимое обратное напряжение, которое может выдержать диод в течение длительного времени без нарушения его работоспособности (до наступления пробоя p-n перехода). Кремниевые диоды позволяют получать более высокие значения U_обрmax, так как удельное сопротивление собственного кремния (_i  10⁵ Омсм) много больше сопротивления собственного германия (_i  50 Омсм)

3. P_max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом, зависит от габаритов, массы диода и его конструкции. У наиболее мощных диодов площадь перехода доходит до 1см², а масса – до 15-20г, у маломощных диодов площадь переходов в 100 раз, а масса в 10 раз меньше.

4. f_max – предельная частота, на которой может работать диод, сохраняя свою работоспособность. Предельная рабочая частота выпрямительного диода напрямую связана с ещё одним важным параметром – ёмкостью диода.

C_д – ёмкость диода, как правило, указывается для высокочастотных выпрямительных диодов и измеряется между выводами диода при заданных напряжении и частоте. Ёмкость диода определяется в основном ёмкостью его p-n перехода. Чем больше площадь p-n перехода, тем больше ёмкость диода. Предельная частота с увеличением ёмкости уменьшается. Таким образом, мощные выпрямительные (силовые) диоды с большой площадью p-n перехода имеют очень ограниченный частотный диапазон. Обычная рабочая частота равна 50 Гц. Рабочие же частоты диодов малой и средней мощности, как правило, не превышают 10 – 20 кГц. Сплавные диоды используются для выпрямления тока с частотой до 5 кГц. Диффузионные диоды могут работать на частоте до 100 кГц. И только точечные высокочастотные выпрямительные диоды благодаря малой площади p-n перехода способны работать на частотах в несколько сот мегагерц.

Помимо электрических параметров в справочной литературе приводятся значения минимальной и максимальной температуры, которые характеризуют тепловые свойства диода, а также его вольт-амперные характеристики при различных температурах окружающей среды.

Для диодов из германия максимальная температура T_max = 100 – 110 C, для диодов из кремния T_max = 170 – 200 С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрация основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестаёт обладать свойством односторонней проводимости.

Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде U_пр и обратный ток I_обр.