me12 / Lab_rab_12_13 / Lab_1_MKC

6

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ДИОДАХ

Цель работы: Экспериментальное исследование схем на диодах.

Время выполнения: 2 ч.

Оборудование: лабораторный стенд, диод, резисторы: 270 Ом, 22 кОм,

9.1 кОм, 1 кОм, делитель напряжения, конденсаторы 0,1 мкФ и 1 мкФ.

1. Теоретические сведения

Полупроводниковый диод – полупроводниковый прибор с одним электрическим p-n – переходом и двумя выводами. Условное графическое изображение (УГО) диода показано на рис.1.

Выводы диода называются анодом (А) и катодом (К). Иногда соответствующие выводы называют положительным "+" и отрицательным "-". Диод пропускает ток в одном направлении. Если приложено напряжение U_AK > 0, то диод открыт и работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении U_AK < 0 диод заперт. На рис. 1.2 показаны схемы включения диода при прямом и обратном включении.

Прямой ток всегда больше обратного на несколько порядков. Часто при анализе схем обратным током диода можно пренебречь.

Диод как нелинейный элемент описывается вольтамперной характеристикой (в.а.х.) I(U_AK). На рис.3 показана прямая ветвь в.а.х. кремниевого диода, полученная в системе моделирования MicroCAP. Прямой ток резко возрастает при достижении некоторого малого положительного напряжения U_AK. Однако он не должен превышать некоторого определенного максимального значения I_макс, так как иначе произойдет перегрев, и диод выйдет из строя. Из характеристики видно, что диод открывается не сразу, когда напряжение U_AK становится больше нуля, а при достижении некоторого напряжения U_D. Для германиевых диодов U_D находится в пределах от 0,2 до 0,4 В, для кремниевых – от 0,5 до 0,8 В. . Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения U_D при токах порядка 0,1I_макс.

При отрицательном напряжении U_AK через диод протекает обратный ток I_обр. Его величина намного меньше прямого тока и в некоторых случаях им можно пренебречь при анализе схем. Обратный ток при напряжениях ‌ U_АК ‌ >U_{обр. макс} возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области работать не могут. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в пределах 10 В – 10 кВ.

Характеристику диода можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции

,

1

где I_ТО – теоретический обратный ток, U_T = 25,5 мВ – термический потенциал, m – поправочный коэффициент, зависящий от типа диода и находится в пределах 1 - 2. Для кремниевых диодов I_TO = 10 пА, для германиевых - I_TO = 100 нА; mU_T=30 мВ, I_макс=100 мА.

При анализе схем часто диод в открытом состоянии представляют замкнутым идеальным ключом (Рис.4,а) или идеальным источником напряжения величиной U_D (Рис.4,б). В закрытом состоянии диод часто рассматривают как разрыв цепи (не учитывают обратный ток). При более детальном анализе схем в закрытом состоянии диод можно рассматривать как идеальный источник тока величиной I_обр. Использование той или иной модели диода зависит от степени детализации анализа схемы.

Как видно из вольтамперной характеристики диода прямое напряжение на диоде зависит от тока, протекающего через него. Их формулы 1можно определить, как возрастает прямое напряжение на диоде при возрастании тока в 10 раз:

и далее , ΔU_AK = 60 ÷ 120 мВ.

Поскольку U_T и I₀ зависят от температуры, то прямое напряжение для фиксированного значения тока также зависит от температуры. Эта зависимость описывается с помощью температурного коэффициента напряжения диода

.

ТКН означает, что один и тот же ток диода достигается при напряжении U_АК меньшем на 2 мВ при увеличении температуры на 1 градус. Пропорциональное уменьшение прямого напряжения с температурой при постоянной величине тока означает, что с увеличением температуры ток возрастает по экспоненциальному закону, если постоянное напряжение постоянно.

Экспоненциальную температурную зависимость имеет и обратный ток. Он удваивается при увеличении температуры на 10º. При увеличениии температуры на 100º обратный ток возрастет в тысячу раз.

Рассмотрим работу диода в динамическом режиме. Схема, с помощью которой можно исследовать переключения диода из проводящего состояния в закрытое, представлена на рис. 5. Источник импульсного напряжения вырабатывает разнополярные импульсы амплитудой 5 В. Резистор R1 ограничивает ток через диод. Процесс переключения диода из одного состояние в другое наблюдаем по изменению напряжения на диоде. Графики напряжения генератора импульсов V1 и напряжения на диоде V(2), полученные в MicroCAP, показаны на рис. 6. При отрицательном значении напряжения генератора диод закрыт, ток через него практически равен 0, падение напряжения на диоде 5 В. При изменении сигнала с генератора на положительное диод смещается в прямом направлении, через диод начинает протекать прямой ток. Однако прямое падение напряжения на диоде устанавливается не сразу, а через некоторое время. При этом происходит накопление носителей заряда в диоде. Величина накопленного заряда тем больше, чем больше прямой ток диода. При поступлении отрицательного импульса диод начинает закрываться не сразу, некоторое время поддерживается прямой ток. Этот ток обусловлен рассасыванием накопленных в диоде зарядов.

При использовании диодов в импульсных схемах необходимо учитывать переходные процессы при включении и выключении диодов. Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шотки. Эти диоды имеют переход металл-полупроводник, который тоже обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа весьма мало. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений 100 пС. Другой особенностью этих диодов является малое прямое падение напряжение, составляющее около 0,3 В.

Выпрямительные диоды. Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малое сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Емкость выпрямительных диодов из-за большой площади p-n- перехода велика и достигает значения десятков пФ.

Импульсные диоды. Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкости достигается за счет уменьшения площади p-n- перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них не велики (30 – 40 мВт). В быстродействующих импульсных цепях широко используются диоды Шотки. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов, их быстродействие зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

2. Краткое описание лабораторного стенда

Лабораторная работа выполняется на АВК-31, оснащенным дополнительным наборным полем. На этом наборном поле собирается исследуемая схема. Схема разводки наборного поля показана на рис.7. По вертикали все гнезда наборного поля соединены между собой. На гнезда, считая слева направо, поданы напряжения +15 В, -15 В, +5 В и две "земли". Остальные гнезда (расширители сигналов) могут использоваться для соединения элементов между собой. Для исследования схем могут использоваться вольтметр, датчики тестовых напряжений АВК-31, генератор синусоидального напряжения, выход которого выведен на наборное поле блока БНО.

3. Задание и порядок проведения работы

3.1. Собрать схему однополупериодного выпрямителя, изображённую на рис.8. Подать на вход сигнал с генератора синусоидального напряжения. Посмотрите с помощью осциллографа входной и выходной сигналы. Нарисуйте входной и выходной сигналы. Определите параметры сигналов. Объясните полученные результаты.

3.2 Подключите параллельно сопротивлению нагрузки (22 кОм) конденсатор величиной 0.1 мкФ. Наблюдайте выходной сигнал. Нарисуйте выходной сигнал. Объясните полученный результат.

3.3. Увеличьте величину емкости, подключив конденсатор величиной 1 мкФ. Для наблюдения малых пульсаций выходного сигнала переведите осциллограф в режим измерения переменного сигнала и увеличьте усиление осциллографа. Нарисуйте выходной сигнал.

Объясните изменение сигнала на выходе во 2-м и 3-м опытах по сравнению с первым. Сделайте выводы.

3.4. Подключите в качестве нагрузки сопротивление величиной 1 кОм (вместо сопротивления 22 кОм). Наблюдайте выходной сигнал. Как влияет нагрузка на выходной сигнал? Объясните, почему происходит изменение сигнала. Сделайте выводы.

3.5. Соберите простой диодный ограничитель по схеме на рис.9. Подайте на вход синусоидальный сигнал амплитудой 10В и наблюдайте выходной сигнал. Определите максимальное значение выходного сигнала.

3.6. Используйте делитель напряжения в качестве источника напряжения ограничения (рис. 1.0).

Подайте на вход сигнал генератора амплитудой 10 В, и посмотрите выходной сигнал. Определите максимальное значение выходного сигнала. Объясните работу ограничителя. Рассчитайте напряжение на выходе схемы на рис.1.0. При расчете используйте метод эквивалентного генератора. Замените делитель напряжения эквивалентным генератором, т.е. реальным источником напряжения. Сравните расчетные значения с результатами измерения. Как влияет внутреннее сопротивление источника напряжения ограничения на выходной сигнал? Сделайте выводы.

4. . Содержание отчёта

1. Привести схемы проведения экспериментов.

2. На миллиметровке привести все осциллограммы измеряемых сигналов.

3. Провести моделирование схем в системе MicroCAP и сравнить результаты моделирования с экспериментальными данными.

4.4. Сделать необходимые расчёты.

4.5. Объяснить полученные результаты.

4.6. Сделать выводы.

5. Контрольные вопросы

5.1. Дайте определение полупроводниковому диоду.

5.2. Нарисуйте вольтамперную характеристику диода.

5.3. Приведите различные модели диода.

5.4. Приведите основные параметры диода.

5.5. Опишите работу однополупериодного выпрямителя.

5.6. Сделайте анализ работы ограничителя напряжения.

5.7. Приведите схемы включения диодов.

5.8. Чему равно падение напряжения на диоде в открытом состоянии?