Лаб. раб. №2 Стабилитроны

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИТРОНОВ И ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы

Изучение характеристик и параметров стабилитронов и ознакомление с применением стабилитронов в параметрических стабилизаторах постоянного напряжения

Описание лабораторной установки

При выполнении работы используются следующие модули: «Диоды», «Мультиметры», «Миллиамперметры», а также двухканальный осциллограф.

Лицевая панель модуля «Диоды» представлена на рис. 1. На ней приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. На мнемосхеме изображены: выпрямительный диод VD1, диод Шоттки VD2, светодиод VD3, стабилитрон VD4, потенциометр RP1 для изменения подаваемого напряжения, резистор R_н = 150 Ом, и балластный резистор R_б = 1,1 кОм. Резистор R_н используется в качестве ограничивающего ток при снятии характеристик и в качестве сопротивления нагрузки при исследовании

Рис. 1. Модуль «Диоды»

выпрямителя. Переключатель SA1 предназначен для включения переменного или постоянного напряжения (положительного или отрицательного), а также выключения питания модуля. Шунт R_ш = 10 Ом служит для осциллографирования сигнала, пропорционального току через диод. На передней панели размещены также гнезда для осуществления внешних соединений (X1 - XI5). Питание модуля осуществляется от источников сетевого переменного 220В и постоянного напряжения ±15 В.

2. Задание и методические указания

1. Предварительное домашнее задание:

а) изучить тему курса «Полупроводниковые стабилитроны» и содержание данной работы, быть готовым ответить на все контрольные вопросы;

2а) Общие теоретические положения

Стабилитроны  это полупроводниковые диоды, на которых падение напряжения сохраняется с определенной точностью при изменении протекающего через них тока в заданном диапазоне. Эти приборы предназначены для стабилизации напряжения. Вольт-амперная характеристика стабилитрона показана на рис. 2. Участки ВАХ, соответствующие режимам стабилизации, называют рабочими (ab и cd на рис. 2).

Рис.2. ВАХ стабилитрона

Рабочий участок стабилитрона ab расположен на обратной ветви ВАХ, где прибор работает в режиме электрического лавинного или туннельного пробоя. Рабочий участок стабилитрона cd расположен на прямой ветви ВАХ, где прибор отперт. Как видно из ВАХ, стабилитрон может проводить ток в двух направлениях. При прямом смещении (U_ПР > 0) он работает как обычный диод, при U_ОБР  U_С стабилитрон заперт, а при U_ОБР  U_С он переходит в режим стабилизации и проводит ток I_С соизмеримый с I_ПР.

Основными параметрами стабилитронов являются:

- номинальное напряжение стабилизации U_С.НОМ  среднее напряжение стабилизации стабилитрона при определенном токе стабилизации I_С;

- границы рабочего участка стабилитрона I_Сmax, I_Сmin;

- разброс напряженной стабилизации U_С  интервал напряжений, в пределах которого находится напряжение стабилизации прибора данного типа U_С  U_Сmax  U_Cmin;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации _С, показывающий, на сколько процентов изменяется напряжение стабилизации U_С при изменении температуры окружающей среды на 1С;

- коэффициент стабилизации:

- дифференциальное сопротивление r_С, определяющее стабилизирующие свойства прибора и показывающее, как напряжение стабилизации зависит от тока:

r_С = (U_Сmax  U_Сmin)/(I_Сmax  I_Сmin).

Значение температурного коэффициента напряжения стабилизации _С и его знак зависят от напряжения U_С.НОМ. Стабилитроны, напряжение стабилизации которых больше 5,5 В, имеют _С  0, т.е. при увеличении температуры напряжение U_С увеличивается. При напряжении U_С.НОМ  5,5 В стабилитроны имеют _С  0 и их напряжение стабилизации с увеличением температуры уменьшается.

В стабилизаторах напряжения, работающих в широком диапазоне температур, используют прецизионные стабилитроны с внутренней термокомпенсацией, в которых последовательно с их p-n-переходом включен в прямом направлении обычный кремниевый p-n-переход с отрицательным температурным коэффициентом прямого напряжения.

б) начертить схему для снятия ВАХ стабилитрона на постоянном токе. (см. рис 2.)

в) для идеализированной ВАХ стабилитрона построить линию нагрузки, если напряжение стабилизации стабилитрона (U_СТ= 6,8 В, его дифференциальное сопротивление r_Д на участке стабилизации равно нулю, напряжение питания U_п в соответствии с вариантом. Определить ток I_б через балластный резистор;

3. Экспериментальное исследование стабилитрона

а) собрать схему для исследования стабилитрона VD4 на постоянном токе

в прямом направлении (снять прямую ветвь ВАХ стабилитрона (см. рис 3) .

Рис.3. Схема для снятия прямой ВАХ стабилитрона на постоянном токе.

Включить милиамперметр mA в цепь питания стабилитрона с пределом до 40 мА (в качестве миллиамперметра использовать мультимметр V1, который должен быть переведён в режим измерения тока с пределом 40 мА.) и вольтметр измерительного модуля V2 на выход стабилитрона, соответственно между гнездами Х10 – X11 и Х4 -XI5. Подать постоянное положительное напряжение переключателем SA1 (см. рис. 3, обратите внимание на полярность).

б) снять и построить прямую ветвь ВАХ I пр =f(Uс).

Для этого, изменяя потенциометром RP1 напряжение питания U_П, а следовательно и величину I пр в соответствии с табл.1. При этом контролировать соответствующие ему значения напряжения на стабилитроне Uс = Uпр. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

IПР, мА	0	0,1	0,5	1,0	2,0	3,0		10
UПР, В

в) снять обратную ветвь ВАХ стабилитрона. Обратная ветвь ВАХ стабилитрона I_ОБР = f(U_ОБР) снимается в соответствии со схемой рис.4

Рис.4 Схема для снятия обратной ветви ВАХ стабилитрона.

Для чего собрать схему (рис.4) включив измерительные приборы в соответствующие гнёзда стенда, соблюдая их полярности.

Примечание:

В качестве миллиамперметра использовать мультимметр V1, который должен быть переведён в режим измерения тока с пределом 400 мкА.

б) Изменяя потенциометром RP1 напряжение питания Uп изменять величину тока I_ОБР в диапазоне от 0 до 100 мкА. Затем переключить предел измерения миллиамперметра на 40 мА и продолжить увеличивать ток Ic до Ic max при этом контролировать величину Uобр. Cнять 1012 точек и результаты измерений занести в табл. 2. Перевести переключатель SA1 в положение «Выкл».

Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

Таблица 2.

IОБР, мкА	0	1,0	10	50	100	1мА	5	10	20	Ic max
UОБР, В					UCmin					UCmax

в) определить величину напряжения U_Cmin при токе I_ОБР = 100 мкА

и величину U_C max при Ic max . Определить рабочий участок ВАХ стабилитрона;

г) по табл.1 и 2 построить полную ВАХ стабилитрона и определить основные его параметры: Uс; Ic min; Ic max ; Uпр ; Кс ; rc; rпр.

д) собрать схему для исследования стабилитрона на переменном токе с целью получения ВАХ стабилитрона на экране осциллографа (рис. 5). Вход CH2(Y) осциллографа подключить к шунту R_ш

Рис. 5. Схема для исследования стабилитрона на переменном токе

(гнездо XI3), а корпус осциллографа «» соединить с гнездом X12. Вход СН1(Х) осциллографа подключить к гнезду ХЗ.

При этом переключатель развертки осциллографа должен быть переведен в положение X/Y.

Подать питание – переключатель SA1 установить в положение «~». Светящуюся точку на экране осциллографа поместить в начало координат. Вращать ручку потенциометра RP1 до положения «5».

С экрана осциллографа зарисовать ВАХ стабилитрона и по шкале развёрток

осциллографа определить масштабы по

току и напряжению. После выполнения эксперимента перевести переключатель SA1 в

положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

е) определить по осциллограмме параметры стабилтрона: Uс; Ic min; Ic max ; Uпр ; Кс ; rc; rпр. Сравнить с параметрами, определенными в п. 3г, объяснить причину различий.

4. Экспериментальное исследование параметрического стабилизатора.

а) собрать схему параметрического стабилизатора напряжения (рис. 6). Включить миллиамперметр « мА» и вольтметры измерительного модуля V1 и V2 на вход и выход стабилизатора, соответственно между гнездами Х10 – X11 и Х4 -XI5.

Рис. 6. Схема для исследования параметрического стабилизатора

Подать постоянное отрицательное напряжение переключателем SA1 (см. рис. 6, обратите внимание на полярность).

б) снять и построить зависимость выходного напряжения U_вых от напряжения питания U_вых =f(U_П). Для этого, изменяя потенциометром напряжение питания U_П на входе стабилизатора, замерять соответствующее ему выходное напряжение U_вых. Определить напряжение стабилизации Uс стабилизатора. Сравнить его с напряжением Uс найденным в п. 3г). Перевести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

в) определить коэффициент стабилизации стабилизатора Кс и выходное сопротивление R_вых= rc на участке стабилизации (аб).

Содержание отчета

Отчет должен содержать следующие пункты:

а) наименование и цель работы;

б) принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментов в соответствии с мнемосхемой, представленной на рис. 1;

в) результаты экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;

г) экспериментально снятые и построенные характеристики;

д) обработанные осциллограммы;

е) выводы по работе. Обязательно ответить на контрольные вопросы 7, 12 - 15, указать причины отличий результатов, полученных на постоянном токе и с помощью осциллографа.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются полупроводники типа p и n?

2. Каковы свойства р-п перехода и в каких приборах они используются ?

3. Поясните вид ВАХ стабилитрона.

4. Чем принципиально отличается стабилитрон от диода?

5. Как снять ВАХ стабилитрона с помощью осциллографа?

6. В чем отличие ВАХ выпрямительного диода и стабилитрона?

7. Как работает параметрический стабилизатор напряжения? Для чего служит балластный резистор?

8. Как изменится напряжение на выходе стабилизатора при повышении температуры?

9. При каком минимальном напряжении на входе стабилизатора еще возможна стабилизация напряжения?

10. От какого параметра зависит качество стабилизации напряжения?

11. Каким образом на экране осциллографа получают изображение функциональной зависимости двух напряжений?

12. Каким образом на экране осциллографа получается изображение периодической функции времени?

Варианты задания

№ варианта	Амплитуда переменного напряжения Um , В	Напряжение питания UП , В
1, 13	13,5	8
2,14	10,5	8,5
3, 15	11,5	9
4, 16	12,5	9,5
5, 17	8	10
6, 18	9	10,5
7, 19	10	11
8,20	11	11,5
9,21	12	12
10,22	13	13
11,23	14	14
12,24	15	15

Примечания:

1. При вычерчивании схем для заданного варианта использовать мнемосхему, приведенную на рис. 1, и описание к ней.

2. При предварительном расчете принимать напряжение стабилизации стабилитрона Uс= 6,8 В, R_Н = 150 Ом, R_б = 1,1 кОм.