Лабораторная работа 7.1

Исследование

полупроводникового диода в динамическом и импульсном

режимах

Лабораторная работа 7.1

Исследование полупроводникового диода

в динамическом и импульсном режимах

Цели работы

1. Освоить методику исследования полупроводниковых приборов в

динамическом и импульсном режимах.

2. Исследовать влияние частоты входного сигнала на работу полу-

проводникового диода в схеме выпрямителя.

3. Исследовать процесс восстановления закрытого состояния диода

в импульсном режиме.

Подготовка к выполнению работы

1. Изучите разделы курса, посвященные работе полупроводниковых диодов в динамическом и импульсном режимах [1, п., 2.8].

2. Изучите порядок выполнения работы и подготовьте протокол для ее выполнения.

Порядок выполнения работы

1. Исследование полупроводникового диода

в динамическом режиме

1.1. Проверка и настройка измерительных приборов

Выберите слева в нижнем ряду гнезд коммутационного пульта точку А и подключите к этой точке выход генератора переменного сигнала (используйте выходное гнездо 1:1), левый вольтметр и вход первого (левого) канала осциллографа. Аналогично справа в нижнем ряду выберите точку В и подключите к ней правый вольтметр и вход второго (правого) канала осциллографа. Соедините точки А и Б между собой проводниками.

Включите генератор переменного сигнала и установите его частоту f_Г = 1 кГц. Переключите вольтметры в режим измерения переменных сигналов и увеличивая выходное напряжение генератора убедитесь в том, что вольтметры показывают одинаковые значения напряжения. Установите действующее (эффективное) значение напряжения на выходе генератора U_Г = 1 В.

Включите осциллограф и получите устойчивые осциллограммы переменного сигнала по обоим каналам.

1.2. Исследование амплитудно-частотной

характеристики выпрямителя

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) выпрямителя представляет собой зависимость выпрямленного тока I_О от частоты входного сигнала f_Г. Для ее построения по оси частот обычно используется логарифмический масштаб. В этом случае ось абсцисс делится на равные отрезки пропорционально величине десятичного логарифма частоты. При этом чаще на оси указываются не значения логарифма, а сама частота в Герцах (10¹; 10²; 10³; 10⁴, и т.д.). Такой масштаб оказывается довольно грубым, поскольку на каждом отрезке частота изменяется на порядок (на декаду). Для получения промежуточных значений можно использовать калькулятор. В простейшем случае достаточно разделить каждый отрезок на три равные части, тогда получившимся новым отметкам будут соответствовать (приблизительно) цифры 2 и 5. В результате значения частоты вдоль оси будут изменяться следующим образом: 10 Гц; 20 Гц; 50 Гц; 100 Гц; 200 Гц; 500 Гц; 1 КГц; 2 КГц; 5 КГц и т.д.

При построении АЧХ величины, откладываемые по оси ординат, обычно приводятся в нормированном виде. В нашем случае полученные в результате измерений значения выпрямленного тока на разных частотах следует отнормировать к величине тока на частоте 1 КГц. Подготовьте на миллиметровке заготовку графика для построения АЧХ выпрямителя с учетом

приведенных выше рекомендаций.

Рис. 7.1.

Соберите приведенную на рис. 7.1 схему диодного выпрямителя с резистивной нагрузкой. Эта схема исследовалась в квазистатическом режиме в лабораторной работе 3 (см. рис. 3.1). Однако, не стоит путать емкость, шунтирующую по переменному току миллиамперметр, измеряющий выпрямленный ток в схеме на рис. 7.1, с фильтрующей емкостью в схеме на рис. 3.1.

Для получения АЧХ выпрямителя можно использовать два подхода. В соответствие с первым из них необходимо на частоте f_Г = 1 кГц зафиксировать действующее значение напряжения входного сигнала, например, U_Г = 1 В и, изменяя частоту в пределах от 100 Гц до 100 КГц, записывать в таблицу 7.1 значения выпрямленного тока I_О. При этом необходимо следить за тем, чтобы напряжение U_Г = 1 В поддерживалось на всех частотах. Далее следует отнормировать все значения тока к его величине на частоте f_Г = 1 кГц и построить на графике 7.1 АЧХ. Пользуясь графиком следует определить значение предельной частоты выпрямителя f _ПРЕД, на которой величина выпрямленного тока уменьшается в √2 раз по сравнению с его значением на частоте 1 кГц.

Второй подход позволяет избежать нормировки. Для этого на частоте f_Г = 1 КГц следует зафиксировать такое значение напряжения U_Г^*, при котором выпрямленный ток будет равен I_О = 1 мА. Именно это значение напряжения необходимо поддерживать на всех частотах.

Таблица 7.1

fГ	КГц
IО	мА
IО НОРМ	-

Параллельно с исследованием АЧХ наблюдайте за изменением формы напряжения на нагрузке. На графике 7.2 нарисуйте осциллограммы этого напряжения на частотах 1 КГц, 10 КГц, 100 КГц и f _ПРЕД.

2. Исследование полупроводникового

диода в импульсном режиме

Прежде, чем приступить к измерениям следует сделать одно важное замечание. Поскольку вольтметры позволяют измерять только действующее значение синусоидального напряжения в импульсном режиме они не используются. Поэтому далее измерение размаха импульсов напряжения (термин амплитуда к импульсным сигналам обычно не применяется) будет проводиться с помощью осциллографа.

Рис. 7.2.

Соберите схему, приведенную на рис. 7.2. Переключите генератор низкой частоты в импульсный режим. Установите частоту следования импульсов f_Г = 10 кГц и размах импульсов U_Г = 2 В. Получите на экране осциллографа устойчивое изображение импульса напряжения на нагрузке и определите величину обратного выброса напряжения на нагрузке U_ОБР и длительность переходного процесса, в течение которого диод возвращается в закрытое состояние t_ВОСТ. На графике 7.3 нарисуйте полученную осциллограмму.

С помощью графика рассчитайте величину заряда переключения Q_ПЕР = ∫ i_ОБРdt, численно равную площади фигуры, ограниченной обратным выбросом тока, протекающего через диод i_ОБР. Связь тока, протекающего через диод и нагрузку (они включены последовательно), и напряжения на нагрузке определяется законом Ома.

Повторите измерение величин U_ОБР, t_ВОСТ и расчет Q_ПЕР при размахах импульсов U_Г = 5 В и U_Г = 10 В. Значения полученных величин записывайте в таблицу 7.2 и с ее помощью постройте на графике 7.4 зависимости t_ВОСТ и Q_ПЕР от величины размаха импульсов U_Г.

Таблица 2

UГ	В	2	5	10
tВОСТ	мкс
QПЕР	Кл

При подготовке выводов по лабораторной работе продумайте ответы

на следующие вопросы:

1. Почему при построении АЧХ используется логарифмический

масштаб? Чем он удобен?

2. Чем объясняется завал АЧХ в области высоких частот?

3. Какими носителями заряда создается обратный выброс тока,

наблюдаемый в динамическом и импульсном режимах?

4. Почему этот выброс тока не наблюдается на низких частотах

(в квазистатическом режиме)?