200101_jeimpt_lr_2012

Из рассмотрения графиков (рис. 1.6, а) следует, что мощность потерь в диоде резко повышается при его включении и, особенно, при выключении. Потери в диоде растут с повышением частоты выпрямленного напряжения. На низкой частоте и гармонической форме напряжения питания импульсы тока большой амплитуды отсутствуют, и потери в диоде резко снижаются.

При изменении температуры корпуса диода изменяются его параметры. Наиболее сильно зависят от температуры прямое напряжение на диоде и его обратный ток. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) на диоде имеет отрицательное значение, так как при увеличении температуры напряжение на диоде уменьшается. Приближенно можно считать, что ТКН Uпр= –2мВ/К.

Обратный ток диода зависит от температура корпуса еще сильнее и имеет положительный коэффициент. Увеличение температуры на

каждые 10 °С увеличивает обратный ток германиевых	диодов
в 2 раза, а кремниевых – 2,5 раза.
Потери в выпрямительных диодах можно рассчитывать по фор-
муле
РД РПР РОБР РВОС ,	(1.11)

где Рпр – потери в диоде при прямом направлении тока, Робр – потери в диоде при обратном токе, Рвос – потери в диоде на этапе обратного восстановления.

Приближенное значение потерь в прямом направлении можно рассчитать по формуле

PПР IПР.СРUПР.СР ,

(1.12)

где Iпр.ср и Uпр.ср – средние значения прямого тока и напряжения на диоде.

Аналогично можно рассчитать потери мощности при обратном токе:

PОБР IОБРUОБР .

(1.13)

Потери на этапе обратного восстановления определяются по формуле

PВОС 0,5IПР.СРUПР.СР Р f ,

(1.14)

где f – частота переменного напряжения.

После расчета мощности потерь в диоде следует определить температуру корпуса диода по формуле

21

	TK TП.МАКС	PД	TК .МАКС ,	(1.15)
		RП.К

где Тп.макс=150 С – максимально допустимая температура кристалла диода, Rп.к – тепловое сопротивление переход – корпус диода (приводится в справочных данных на диод), Тк.макс – максимально допустимая температура корпуса диода.

Диоды с барьером Шоттки используются для выпрямления малых напряжений высокой частоты. В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шоттки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

–имеют более низкое прямое и обратное падение напряжения;

–имеют более высокий ток утечки;

–почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления. Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми

при проектировании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

1.4 Описание экспериментов и исследуемых схем

Вольтамперную характеристику (ВАХ) можно снять, если измерять мультиметром падение напряжения на диоде в схеме – рис. 1.7, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной

величины [10]. Ток диода при этом можно вычислять из выражения:
IПР E UПР R ,	(1.16)

где IПР – ток диода в прямом направлении; Е – напряжение источника питания, UПР – напряжение на диоде в прямом направлении.

22

Рисунок 1.7 – Исследование ВАХ при прямом смещении диода

Изменив полярность включения диода (рис. 1.7), можно снять ВАХ при обратном смещении диода по той же методике

IОБ E UОБ R ,

(1.17)

где IОБ – ток диода в обратном направлении; UОБ – напряжение на диоде в обратном направлении.

Точность при таких измерениях мала из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. Для получения более точной характеристики, при использовании только одного мультиметра, необходимо сначала измерить напряжение в схеме (рис. 1.7), а затем ток (рис. 1.8). В первом случае мультиметр подключается как вольтметр, а во втором, как амперметр.

Рисунок 1.8 – Измерение тока мультиметром при снятии ВАХ диода

Если одновременно использовать и вольтметр и амперметр, то тогда, включив их по схеме – рис. 1.9, можно снять одновременно результаты измерения тока и напряжения с табло этих приборов.

23

Вольтамперная характеристика может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания VS.

Рисунок 1.9 – Снятие ВАХ диода амперметром и вольтметром

Наиболее удобно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 – Использование осциллографа для снятия ВАХ диода

При этом координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной – току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах I U R U I , по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через

24

диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) – по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.

При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма падения напряжения на диоде и резисторе 1 Ом. Ошибка из-за этого будет незначительна, так как падение напряжения на резисторе будет существенно меньше, чем на диоде.

Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на большую постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.

1.5 Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод

Создайте и включите схему (рис. 1.7). Мультиметр покажет напряжение на диоде UПР при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде UОБ при обратном смещении. Запишите показания в раздел «Содержание отчета» – табл. 1.1. Вычислите ток диода при прямом (IПР) и обратном (IОБ) смещении согласно формулам (1.16) и (1.17).

Эксперимент 2. Измерение тока

Создайте и включите схему (рис. 1.8). Мультиметр покажет ток диода IПР при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет ток IОБ диода при обратном смещении. Запишите показания в раздел «Содержание отчета» – табл. 1.2.

Эксперимент 3. Снятие вольтамперной характеристики диода

а) Прямая ветвь ВАХ

25

Создайте и включите схему (рис. 1.9). Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, 0.25 В, 0 В, запишите значения напряжения UПР и тока IПР диода в раздел «Содержание отчета» – табл. 1.3.

б) Обратная ветвь ВАХ

Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 0 В, 5 В, 10 В, 15 В, запишите значения тока IОБ напряжения UОБ в раздел «Содержание отчета» – табл. 1.4.

в) Построение ВАХ

По полученным данным постройте в разделе «Содержание отчета» графики для прямой IПР (UПР) – рис. 1.11 и обратной IОБ (UОБ) – рис. 1.12 ветви ВАХ диода.

г) Оценка дифференциального сопротивления диода

Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при IПР = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для IПР =0.4 мА и IПР =0.2 мА. Результаты запишите в раздел «Содержание отчета» –

табл. 1.5.

Выполните аналогичные процедуры по оценке дифференциального сопротивления диода при обратном напряжении 5 В, 10 В, 15 В. Результаты запишите в раздел «Содержание отчета» – табл. 1.5.

д) Оценка статического сопротивления диода

Вычислите сопротивление диода на постоянном токе с использованием ВАХ по формулам RСТ U ПР I ПР , RСТ UОБР IОБР . Полученные результаты занесите в раздел «Содержание отчета» – табл. 1.6.

е) Определение напряжения изгиба ВАХ

Напряжение изгиба определяется по ВАХ диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом. Результаты запишите в раздел «Содержание отчета» – табл. 1.7.

Эксперимент 4. Получение ВАХ на экране осциллографа

Создайте и включите схему (рис. 1.10). На ВАХ, появившейся на экране осциллографа (режим Expand), по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной – ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Измерьте и запишите величину напряжения изгиба в раздел «Содержание отчета» – табл. 1.8.

1.6 Содержание отчета

26

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод

Таблица 1.1 – Результаты эксперимента

Измерение		Расчет
UПР, В	UОБР, В	IПР, мА	IОБР, мА

Эксперимент 2. Измерение тока

Таблица 1.2 – Результаты эксперимента

Измерение

IПР, мА

IОБР, мА

Эксперимент 3. Снятие вольтамперной характеристики диода

а) Прямая ветвь ВАХ

Таблица 1.3 – Результаты эксперимента

Е, В	UПР, мВ	IПР, мА	Е, В	UПР, мВ	IПР, мА
5			1
4			0.5
3			0.25
2			0

б) Обратная ветвь ВАХ

Таблица 1.4 – Результаты эксперимента

									Е, В							UОБ, мВ							IОБ, мА
							0
							5
							10
							15
в) Построение ВАХ

г) Оценка дифференциального сопротивления диода

Рисунок 1.11 – Прямая ветвь ВАХ Рисунок 1.12 – Обратная ветвь ВАХ

Таблица 1.5 – Результаты эксперимента

27

Прямое смещение		Обратное смещение
IПР, мА	rДИФ, Ом	UОБ, В	rДИФ, Ом
4		5
0.4		10
0.2		15

д) Оценка статического сопротивления диода

Таблица 1.6 – Результаты эксперимента

Прямое смещение

Обратное смещение

IПР, мА UПР, В RСТ, Ом IОБР, мА UОБ, В RСТ, Ом

4

5

е) Определение напряжения изгиба ВАХ

Таблица 1.7 – Результаты эксперимента

IПР, мА UПР, В

Прямое смещение

Эксперимент 4. Получение ВАХ на экране осциллографа

Таблица 1.8 – Результаты эксперимента

Прямое смещение Канал «А» UИЗГ, мВ Канал «В» IИЗГ, мА

1.7 Вопросы для самопроверки

1.Какой полупроводниковый прибор называется диодом?

2.Объясните принцип действия полупроводникового диода.

3.Перечислите основные статические параметры и характеристики диода.

4.Объясните смысл основных статических параметров диода.

5.Перечислите основные динамические параметры диода.

6.Объясните смысл основных динамических параметров диода.

7.Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Они различны, почему?

8.Сравнимы ли измеренные значения тока при прямом смещении

свычисленными значениями?

9.Сравнимы ли измеренные значения тока при обратном смещении с вычисленными значениями?

10.Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

11.Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивления диода при измерении их мультиметром в режиме омметра? Можно ли по

28

этим измерениям судить об исправности диода?

12.Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе?

13.Совпадают ли точки изгиба ВАХ, полученные с помощью осциллографа и построенные по результатам вычислений?

Лабораторная работа № 2 Исследование стабилитронов

2.1 Цель работы

1.Построение обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона и определение напряжения стабилизации.

2.Вычисление тока и мощности, рассеиваемой стабилитроном.

3.Определение дифференциального сопротивления стабилитрона по вольтамперной характеристике.

4.Исследование изменения напряжения стабилитрона при изменении входного напряжения в схеме параметрического стабилизатора.

5.Исследование изменения напряжения на стабилитроне при изменении сопротивления в схеме параметрического стабилизатора.

2.2 Приборы и элементы

Функциональный генератор – группа Instruments Мультиметр – группа Instruments Осциллограф – группа Instruments

Источник постоянного напряжения – группа Sources Стабилитрон 1N473 – Группа Diodes

Резисторы – группа Basic

2.3 Краткие сведения из теории

29

Стабилитроны — это специальный тип полупроводниковых диодов, работающих в режиме лавинного пробоя p-n-перехода который возникает при обратном смещении диода [5]. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают резистор. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис. 2.1, а, показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис. 2.1, б приведены их вольтамперные характеристики.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры (см. рис. 2.1, б). Очевидно, что повышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при Uст >5B и уменьшает его при Uст <5В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при Uст<5B — отрицательный. При Uст = 6...5В ТКН близок к нулю.

Рисунок 2.1 – Обозначение стабилитронов на схемах (а) и их вольтамперные характеристики (б)

Стабисторы – полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения при прямом смещении p-n-перехода. В этом случае напряжение на переходе имеет значение 0,7... 2 В и мало зависит

30