Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Інженерна механіка
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2008
Тип роботи:
Методичні вказівки
Предмет:
Електроніка та мікропроцесорна техніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
ЗНЯТТЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ТА ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи № 1
з дисципліни “Електроніка та мікропроцесорна техніка”
для студентів базового напряму 6.0902 “Інженерна механіка”
Затверджено на засіданні кафедри
автоматизації та комплексної механізації машинобудівної промисловості.
Протокол № 2 від 18.09.2008 р.
Львів – 2008
Зняття вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода: Методичні вказівки та інструкція до лабораторної роботи № 1 з дисципліни “Електротехніка електроніка та мікропроцесорна техніка” для студентів базового напряму: 6.0902 “Інженерна механіка” /Укл.: І. Д. Зелінський, С. А. Таянов, В. М. Гурський. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2008. – 15 с.
Укладачі
Зелінський І. Д., канд. техн. наук, доц.
Таянов С. А., канд. техн. наук, доц.
Гурський В. М., канд. техн. наук, асист.
Відповідальний за випуск Гаврильченко О. В., канд. техн. наук, доц.
Рецензент Русин Б. П., д-р. техн. наук, с.н.с. ФМІ НАН України
ЗНЯТТЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА
Мета роботи – вивчення властивостей площинних напівпровідникових діодів шляхом практичного зняття і дослідження їх вольт-амперних характеристик (ВАХ).
1. Короткі теоретичні відомості
Напівпровідниковим p-n переходом називають тонкий шар, що утвориться в місці контакту двох областей напівпровідників акцепторного (p) і донорного (n) типів (рис. 1). Обидві області напівпровідника електрично нейтральні, оскільки як сам матеріал напівпровідника, так і домішки є електрично нейтральними. Відмінності цих областей у тому, що в лівій (p області) основними носіями заряду є дірки, а в правій (n області) – електрони.
Рис. 1. Розподіл зарядів в області p-n переходу
До основних властивостей p-n переходу відносяться властивість односторонньої провідності, температурні властивості p-n переходу, частотні властивості p-n переходу, пробій p-n переходу.
Властивість односторонньої провідності p-n переходу неважко розглянути на вольт-амперній характеристиці. Вольт-амперною характеристикою (ВАХ) називається графічно виражена залежність величини струму, що протікає через p-n перехід, від величини прикладеної напруги .
Вважатимемо пряму напругу позитивною («+» прикладений до p області, «-» до n області), зворотну негативною («-» прикладений до p області, «+» до n області). Струм через p-n перехід може бути визначений таким чином:
, (1)
де – струм, викликаний проходженням власних носіїв заряду, – основа натурального логарифму; – заряд електрону; – температура; – напруга, прикладена до p-n переходу; – постійна Больцмана.
Рис. 2. ВАХ p-n переходу
При прямому вмиканні , , , . При збільшенні прямої напруги прямий струм змінюється за експоненціальним законом (рис. 2).
При зворотному вмиканні , , . Оскільки величина зворотного струму в багато разів менша, ніж прямого, то зворотним струмом можна знехтувати і вважати, що p-n перехід проводить струм тільки в одному напрямку.
При прямому включенні максимальний спад напруги на діоді становить 0,3 1 В.
Пробій p-n переходу. . При збільшенні зворотної напруги енергія електричного поля встановлюється достатньою для генерації носіїв заряду. Це приводить до сильного збільшення зворотного струму. Явище сильного збільшення зворотного струму при певній зворотній напрузі називається електричним пробоєм p-n переходу. Електричний пробій – це оборотний пробій, тобто при зменшенні зворотної напруги p-n перехід відновлює властивість односторонньої провідності. Якщо зворотну напругу не зменшити, то напівпровідник сильно нагріється за рахунок теплової дії струму і p-n перехід згорає. Таке явище називається тепловим пробоєм p-n переходу. Тепловий пробій необоротний.
Класифікація і умовні позначення напівпровідникових діодів. Напівпровідниковим діодом називається пристрій, що складається з кристалу напівпровідника, містить зазвичай один p-n перехід і має два виводи.
Класифікація діодів проводиться за наступними ознаками:
– за конструкцією (площинні, точкові, мікросплавні діоди);
– за потужністю (малопотужні, середньої потужності, потужні);
– за частотою (низькочастотні НЧ, високочастотні ВЧ, надвисокочастотні СВЧ);
– за функціональним призначенням (випрямні, імпульсні, стабілітрони, варікапи, світлодіоди, тунельні діоди і т.д.);
Умовне позначення діодів поділяється на два види:
– маркування діодів (рис. 3);
– умовне графічне позначення (УГП) (рис. 4) – позначення на принципових електричних схемах.
Новий ГОСТ на маркування діодів складається з 4 позначень:
К
Г
I
С
Д
II
-156
-507
III
А
Б
IV
Рис. 3. Маркування діодів
I – показує матеріал напівпровідника: Г – германій; К – кремній; А – арсенід галію;
II – тип напівпровідникового діода: Д – випрямні, ВЧ та імпульсні діоди; А – діоди СВЧ; C – стабілітрони; В – варікапи; И – тунельні діоди; Ф – фотодіоди; Л – світлодіоди; Ц – випрямні стовпи і блоки.
III – три цифри – група діодів за своїми електричними параметрами;
IV – модифікація діодів в даній (третій) групі.
Рис. 4. Умовне графічне позначення діодів:
а) – випрямні, ВЧ, СВЧ, імпульсні діоди; б) – стабілітрони;
в) – варікапи; г) – тунельні діоди; д) – діоди Шотки;
е) – світло діоди; ж) – фотодіоди; з) – випрямні блоки
Виводи діода називають анод та катод. Анод – напівпровідник n типу, катод – напівпровідник p типу. На умовному позначенні рис. 4,а анод – внизу, катод – вверху.
ВАХ та основні параметри напівпровідникових діодів. ВАХ реального діода (рис. 5) проходить нижче, ніж у ідеального p-n переходу за рахунок впливу опору бази. Крива зворотного струму ВАХ має нахил, оскільки за рахунок зростання зворотної напруги збільшується генерація власних носіїв заряду. Основні параметри напівпровідникових діодів:
– максимально допустимий прямий струм ;
– пряме падіння напруги на діоді при максимальному прямому струмі ;
– максимально допустима зворотна напруга ;
– зворотний струм при максимально допустимій зворотній напрузі ;
– прямий та зворотний статичні опори діода при заданих прямій та зворотній напругах: , ;
– прямий та зворотний динамічні опори діода: ; ; ; .
Рис. 5. ВАХ діода
Випрямним діодом називається напівпровідниковий діод, призначений для перетворення змінного струму в постійний у джерелах живлення. Крім того, випрямні діоди широко використовуються в схемах керування і комутації для обмеження паразитних викидів напруг, в якості елементів електричної розв’язки ланцюгів і т.д. Випрямні діоди завжди площинні, вони можуть бути германієвими або кремнієвими.
Якщо випрямлений струм більший за максимально допустимий прямий струм діода, то в цьому випадку допускається паралельне вмикання діодів (рис. 6 а). Додаткові опори Rд величиною від одиниць до десятків Ом включаються з метою вирівнювання струмів в кожній з гілок. Якщо напруга в ланцюзі перевершує максимально допустиму зворотну напругу діода, то в цьому випадку допускається послідовне вмикання діодів (рис. 6 б). Шунтуючі опори Rш величиною декілька сот кОм включають для вирівнювання падіння напруги на кожному з діодів.
а
б
Рис. 6. Вмикання діодів за паралельною (а) та послідовною (б) схемами
Включення випрямних діодів в схемах випрямлячів. Діоди в схемах випрямлячів включаються за одно- і двопівперіодною схемами. Якщо узяти один діод, то струм в навантаженню протікатиме за одну половину періоду, тому такий випрямляч називається однопівперіодним. Його недолік – малий ККД (рис. 7), а перевага простота схеми та малий спад напруги на випрямлячі.
а
б
Рис. 7. Однопівперіодна схема вмикання діода (а) та її ВАХ (б)
Значно частіше застосовуються двопівперіодні випрямлячі (рис. 8 а). Протягом позитивного півперіоду напруги Ua (+) діоди VD1 і VD4 відкриті, а VD2 і VD3 – закриті. Струм протікатиме по ділянці: верхня гілка (+), діод VD1, навантаження діод VD4, нижня гілка (-). Протягом негативного півперіоду напруги Ua діоди VD1 і VD4 закриваються, а діоди VD2 і VD3 відкриваються. Струм протікатиме від (+), нижня гілка, діод VD3, навантаження, діод VD2, верхня гілка (-). Тому, струм через навантаження протікатиме в одному і тому ж напрямі за обидва півперіоди. Схема випрямляча називається двопівперіодною. Особливістю двопівперіодного випрямляча є високий ККД та подвійна пульсація напруги на виході.
а
б
Рис. 8. Двопівперіодна схема (а) та часова залежність напруги і струму (б)
Імпульсні діоди. Імпульсні діоди призначені для роботи в імпульсних ланцюгах з тривалістю імпульсів від декількох нс до декількох мкс.
Рис. 9. Часова залежність
вхідної напруги та струму в навантаженні
У проміжок часу від 0 до t1 (рис. 9) p-n перехід закритий (зворотною напругою нехтуємо). У момент часу t1 p-n перехід відкривається, але струм через нього і через навантаження досягає свого максимального, тобто сталого значення, не миттєво, а за час tвст, який потрібний для заряду бар'єрної ємності p-n переходу.
У момент часу t2 p-n перехід майже миттєво закривається. Область p-провідності виявляється насиченою неосновними носіями зарядів, тобто електронами. Електрони, що не встигли рекомбінувати, під дією поля закритого p-n переходу повертаються в n-область, за рахунок чого сильно зростає зворотний струм. У міру відходу електронів з p-області зворотний струм зменшується, і через час tвідн p-n перехід відновлює свої “закриті” властивості. У імпульсних діодах час відновлення і встановлення повинні бути мінімальними. З цією метою імпульсні діоди конструктивно виконуються точковими або мікросплавними. Товщина бази діода виконується мінімальною.
Діоди ВЧ. Це універсальні діоди, які можуть бути детекторними, модуляторами, імпульсними при достатній тривалості імпульсу, і навіть випрямними при малих струмах навантаження. Основна відмінність ВЧ діодів – зворотна гілка ВАХ плавно знижується (збільшується зворотний струм, поступово переходячи в область електричного пробою). Таке пониження зворотної гілки ВАХ пояснюється посиленою термогенерацією власних носіїв зарядів на малій площі p-n переходу. При надвисоких частотах (fmax>1000 МГц) використовуються діоди Шотки та діоди з p-n переходом, площа яких значно менша, ніж у точкових. Їхнім недоліком в порівнянні з ВД є більш низька навантажувальна спроможність. ВЧ-діоди ранніх розробок містять точковий р-п перехід і називаються точковими. Зараз знаходять використання високочастотні напівпровідникові діоди з площинними р-п переходами дуже малих розмірів. У порівнянні з крапковими такі ВЧ-діоди мають великі допустимі струми і кращі характеристики при зворотному вмиканні.
Схема дослідження, необхідні прилади і деталі
Для зняття ВАХ напівпровідникового діода можна використовувати схему рис. 10.
Рис. 10. Схема дослідження напівпровідникового діода
У табл. 1 приведені основні параметри деяких площинних діодів, що широко застосовуються в електронній апаратурі.
Таблиця 1
Основні параметри деяких випрямних діодів
Тип діодів
Найбільший випрямлений струм
, А
Пряме
падіння
напруги
, В
Найбільша зворотня напруга
, В
Найбільший
зворотній
струм
, мА
Д206-Д211
Д217-Д218
Д226-Д226Е
Д202-Д205
Д223
Д242-Д242П
0,1
0,1
0,3
0,4
0,05
10
1
0,7
1
1
1
1,25
100-600
8001000
400
100 -400
50
100
0,05
0,05
0,03
0,5
0,001
3
Значення ЕРС U1 джерела постійного струму залежить від типу досліджуваного діода VD1. Однак, у більшості випадків, досить прикладати до діода в прямому напрямку напругу порядку 1 В, а в зворотному – порядку 30-40 В.
Перемикач S1 служить для вмикання схеми. Потенціометр RP1 з опором порядку 1 кОм використовують для плавного регулювання величини напруги, що прикладається до діода.
Вольтметр повинний бути розрахований на вимірювання постійних напруг у межах 0-30 В. Для більшої точності відліків при знятті вольт-амперної характеристики в прямому напрямку бажано застосувати вольтметр із двома чи декількома межами вимірів, один із яких повинний складати приблизно 1-3 В.
На схемі (рис. 10): Х3, Х4 – клеми для підключення випрямного діоду, РА1 – мікроамперметр, PV1 – вольтметр.
3. Послідовність виконання роботи
1. Збирання і випробування схеми.
2. Зняття вольт-амперної характеристики при прямій напрузі, прикладеної до діода.
3. Зняття вольт-амперної характеристики при зворотній напрузі, прикладеної до діода.
4. Побудова вольт-амперної характеристики діода.
5. Визначення коефіцієнта випрямлення Кв діода (додаткове завдання).
Збирання і випробування схеми
Отримавши 3 випрямних діода для досліджень, під’єднюють один з них до клем Х3, Х4 в прямому напрямку згідно позначення на корпусі діода (пряме включення). Після того приступають до випробування схеми. За допомогою потенціометра RP1 встановлюємо напругу рівну нулю. Потім плавно збільшуємо напругу, яка подається на діод. Одночасно стежать за величиною прямого струму діода, що повинна змінюватися в межах, достатніх для зняття вольт-амперної характеристики. Після цього потенціометр RP1 знову встановлюють у положення нуля, а діод під’єднюють до клем Х3, Х4 в зворотньому напрямку (зворотне включення). Поступово збільшують зворотню напругу, яка прикладена до діода, і стежать за показами мікроамперметра. Величина зворотного струму повинна мінятися незначно і не перевищувати значення, допустимого для даного діода. Випробування схеми роблять для двох-трьох діодів, що підлягають дослідженню.
Зняття ВАХ
при прямій напрузі, прикладеної до діода
Для зняття ВАХ необхідно діод під’єднати до клем Х3, Х4 в прямому напрямку згідно позначення на корпусі діода і змінюючи напругу джерела від 0 до 1 В (через інтервали 0,1 В), стежити за змінами величини прямого струму. Результати спостережень записують у табл. 2.
Таблиця 2
Діод типу...
Зняття ВАХ
при зворотній напрузі, прикладеної до діода
Для зняття цієї характеристики необхідно діод під’єднати до клем Х3, Х4 в зворотному напрямку і змінюючи напругу джерела від 0 до 30 В (через інтервали в 5 В) слідкувати за величиною зворотного струму діода. Результати спостережень записують у табл. 3.
Таблиця 3
Тип діоду...
Примітка. Якщо при випробуванні діода зворотний струм перевищить гранично допустиму величину, то випробування варто припинити. Такий діод до експлуатації не придатний.
Побудова ВАХ діода
За даними табл. 2 і 3 у прямокутній системі координат будують ВАХ діода . Необхідно правильно підібрати масштаби струмів і напруг, що відкладаються по осях у прямому та зворотному напрямках. Приблизний вигляд ВАХ напівпровідникового діода показаний на рис. 5.
Визначення коефіцієнта випрямлення Кв діода (додаткове завдання)
Для визначення величини Кв необхідно значення прямого і зворотного струму при напрузі 1В підставити в формулу
.
Визначивши Кв для декількох однотипних діодів, необхідно вказати, який з них найбільш придатний для роботи в схемах випрямлячів.
4. Вимоги до змісту і оформлення звіту
На титульній сторінці вказати назву університету, інституту, кафедри, на якій виконується робота, номер і назву роботи, прізвище та ініціали студента, а також викладача, який перевіряє роботу, рік виконання роботи.
Звіт повинний містити:
1) точне найменування і мету роботи;
2) таблицю основних даних досліджуваного діода;
3) схему дослідження діода з короткою характеристикою елементів, що входять у неї;
4) таблицю спостережень;
5) графік вольт-амперної характеристики діода;
6) розрахунок коефіцієнтів випрямлення для декількох однотипних діодів;
7) короткі висновки про роботу.
5. Спеціальні вимоги з техніки безпеки
Не вмикати прилади і обладнання без дозволу викладача.
Усі вимірювання та експериментальні дослідження проводити тільки за умови надійного заземлення обладнання і приладів.
У разі виявлення несправності приладів чи обладнання негайно вимкнути їх від мережі живлення і повідомити викладача.
6. Контрольні запитання
Розповісти про конструкцію, маркування й умовні позначення напівпровідникових діодів.
Яка напруга, що прикладена до діода називається прямою.
Яка напруга, що прикладена до діода називається зворотною.
Побудуйте і поясніть вольт-амперну характеристику напівпровідникового діода.
Якими параметрами характеризуються випрямні напівпровідникові діоди?
Як впливає температура навколишнього середовища на характеристики і параметри напівпровідникових діодів?
Що таке електричний пробій p-n-переходу та за яких умов він виникає?
Що таке тепловий пробій p-n-переходу та за яких умов він виникає?
Як включаються напівпровідникові діоди, якщо робоча напруга перевершує припустиму зворотну напруга одного діода?
Як включаються напівпровідникові діоди, якщо робочий струм перевершує припустимий струм одного діода?
Розповісти про застосування напівпровідникових діодів у випрямних схемах.
Список літератури
Скаржепа И. А., Луценко А. Н. Электроника и микросхемотехника: Учебник: В 2х ч./ Под общ. ред. А.А. Краснопрошиной. К.: Вища шк. 1989. – Ч.1.
Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов – 2-е изд., перераб. и доп. М. : Высш. шк., 1991.
Глазенко Т.А., Прянишников В.А. Электротехника и основы элек-троники. – М.: Высшая школа, 1996. –356 с.
Захаров В.К., Лыпарь Ю.М. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Л.: Энергоатомиздат, 1984.
Веревкин Ю. Е. Основы электронной и полупроводниковой техники. Изд-во «Судостроение», М., 1969.
Гершунский Б. С. Основы электронной и полупроводниковой техники. Изд-во Киевского университета, 1967.
Дыкин А. В., Овечкин Ю. А. Электронные и полупроводниковые приборы. Изд-во «Энергия», М., 1971.
Гершунский Б. С. и др. Справочник по основам электронной техники. Изд-во Киевского университета, 1972.
НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ
ЗНЯТТЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ТА ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи № 1
з дисципліни “Електроніка та мікропроцесорна техніка”
для студентів базового напряму 6.0902 “Інженерна механіка”
Укладачі
Редактор
Комп’ютерне верстання
Зелінський Ігор Дмитрович
Таянов Сергій Анатолійович
Гурський Володимир Миколайович
Здано у видавництво 24.01.2008. Підписано до друку 25.01.2007.
Формат 70(100/16. Папір офсетний. Друк на різографі.
Умовн. друк. арк. .Обл.. – вид. Арк. .
Наклад 100 прим. Зам.
Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”
Реєстраційне свідоцтво серії ДК № 751 від 27.12.2001 р.
Поліграфічний центр Видавництва
Національного університету “Львівська політехніка”
Вул. Ф. Колеси, 2, Львів, 79000
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора