Файл: Исследование выпрямительного диода и стабилитрона.pdf

Лабораторная работа №1
Тема: Исследование выпрямительного диода и стабилитрона
Цель работы:
- изучить систему обозначений, конструкцию и принцип работы выпрямительного полупроводникового диода и стабилитрона;
- снять основные характеристики и определить по ним параметры диодов.
Приборы и оборудование:
- персональный компьютер;
- программа Multisim 10.1– система моделирования и анализа электронных схем.
Краткие теоретические сведения
Диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом и двумя внешними выводами, которые называются анод и катод. По назначению диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, фотодиоды, светодиоды. Их изготавливают на основе германия и кремния.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в однополярный пульсирующий ток. Полупроводниковый диод состоит из двух слоев полупроводников с р- и n-типами электропроводности. Это прибор c односторонней проводимостью, возникающей на границе раздела двух материалов с проводимостью различного типа, которая называется электронно- дырочным или р-п-переходом.
Рисунок 1.1 - Образование электронно-дырочного перехода (p-n-перехода)
Рассмотрим процесс образования и свойства р-п-перехода. Допустим, что концентрация электронов в п-области полупроводника равна концентрации дырок в р-области (рис. 1.1).

Свободные электроны из полупроводника n-типа за счет градиента концентрации переходят полупроводник p-типа, а дырки из полупроводника p-типа начинают переходить в полупроводник n-типа.
В n-области в приграничном слое при этом образуется положительный объемный (неподвижный, не скомпенсированный) заряд, а в p-области на границе раздела образуется отрицательный объемный
(неподвижный, не скомпенсированный) заряд. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется запирающий слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением, который называют p-n- переходом (ширина запирающего слоя или p-n-перехода равна d).
Между образовавшимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов U
к
= φ
n
– φ
p
В граничном слое образуется электрическое поле Е
к
(поле контактной разности потенциалов), направленное от объемного положительного заряда в п-области к объемному отрицательному заряду в р-области (рис. 1.1), которое препятствует дальнейшему переходу носителей заряда из одной области в другую. Возникает потенциальный барьер, высота которого определяется величиной контактной разности потенциалов U
к
= φ
n
– φ
p
(рис. 1.1).
Рисунок 1.2 - Прямое включение р-n-перехода
(уменьшение высоты и ширины потенциального барьера)
Если источник внешнего напряжения подключить положительным полюсом к полупроводнику p-типа и отрицательным полюсом к полупроводнику n-типа, то такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым (рис. 1.2).
В этом случае внешнее электрическое поле направлено навстречу полю контактной разности потенциалов. В результате чего высота потенциального барьера понижается (U
к
– U
пр
), возрастает диффузионный ток I
диф
, который называют прямым током I
пр
, сопротивление p-n-перехода резко снижается, уменьшается также ширина запирающего слоя.

При обратном включении p-n-перехода источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к n-области, а отрицательным полюсом к p- области. Поле, создаваемое обратным напряжением U
обр
, складывается с полем контактной разности потенциалов. Высота потенциального барьера увеличивается
(U
к
+ U
обр
) (рис. 1.3), а также расширяется толщина запирающего слоя, так как с увеличением Uобр основные носители заряда будут удаляться от p-n-перехода. При этом сопротивление p-n-перехода увеличивается, а ток I
обр через p-n-переход уменьшается.
Рисунок 1.3 - Обратное включение р-п-перехода
(увеличение высоты и ширины потенциального барьера)
Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей заряда, определяющих прямой ток р-п- перехода, обратный ток р-п-перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это и определяет вентильные свойства р-п-перехода, то есть способность проводить ток только в одном направлении.
На вольтамперной характеристике (ВАХ) диода (рис. 1.4) могут быть выделены прямая ветвь ВАХ и обратная ветвь ВАХ.
Рисунок 1.4 - Вольтамперная характеристика выпрямительного диода

На прямой ветви ВАХ имеем большое изменение прямого тока I
пр при малом изменении прямого напряжения U
пр
. Прямой ток I
пр ограничивается максимально допустимым значением I
max
, гарантирующим равновесие диода, при превышении которого диод может перегреться и разрушиться.
На обратной ветви ВАХ имеем малое изменение обратного тока I
обр при большом изменении обратного напряжения U
обр
. Обратное напряжение U
обр ограничивается максимальным значением U
обр max
, при превышении которого возникает электрический пробой и выпрямительный диод перестает выполнять свои функции.
При выборе диодов в справочниках приводятся предельные параметры диода
U
обр. max
, I
пр. max
. К параметрам диодов относят сопротивление прямому току R
пр
, сопротивление обратному току R
обр
, текущие значения I
пр
, U
пр
, I
обр
, U
обр
Условное графическое изображение и буквенное обозначение выпрямительного диода и подключение полярности внешнего источника питания при прямом и обратном включении (в скобках) показаны на рис. 1.5.
Выпрямительные диоды применяют в схемах выпрямителей переменного тока и напряжения, для развязок в электрических цепях, ограничения выброса напряжений при коммутации цепей и др.
Рисунок 1.5 - Условное графическое изображение и буквенное обозначение выпрямительного диода и подключение полярности внешнего источника питания при прямом и (в скобках) обратном включении
Стабилитрон представляет собой плоскостной диод, изготовленный из кремния с большой концентрацией примеси. Условное графическое изображение стабилитрона на схемах приведено на рис. 1.6.
Рисунок 1.6 - Условное графическое обозначение стабилитрона
Если стабилитрон включить в обратном направлении, то при определенном напряжении начинается контролируемый электрический пробой, характеризующийся возрастанием тока при почти неизменном напряжении на стабилитроне.
Если ограничить ток пробоя с помощью R
огр
(рис. 1.7) таким образом, чтобы мощность рассеяния диода не превосходила допустимую, выше которой начинается тепловой пробой и разрушается р-n-переход, то диод в таком режиме может работать длительное время.

Рисунок 1.7 - Схема включения стабилитрона
Напряжение U
ст стабилизации стабилитрона определяется напряжением пробоя. Рабочий участок на вольтамперной характеристике (рис. 1.8) ограничен минимально и максимально допустимым током стабилизации I
ст. min
, I
ст. max
Максимально допустимый ток стабилизации определяется максимально допустимой мощностью рассеяния стабилитрона Р
mах
, а минимальный ток – началом устойчивого пробоя.
Рисунок 1.8 - Вольтамперная характеристика стабилитрона
Все изменения напряжения источника Е при его нестабильности почти полностью поглощаются R
огр
. Это наиболее частый режим работы стабилитрона (Е
– нестабильно, а R
н
= соnst). Второй режим стабилизации применяется в случае, когда Е = соnst, а R
н меняется в пределах от R
н. min до R
н. mах
. Эффективность стабилизации напряжения характеризует коэффициент стабилизации:
K
ст
=
∆E
E
∆U
ст
U
ст
⁄
где Е – напряжение источника питания;
U
ст
– напряжение стабилизации;
∆Е = (Е
max
– Е
min
) – отклонение величины напряжения источника от его среднего значения, соответствующего U
ст
;
∆U
ст
= (U
ст. max
– U
ст. min
) – изменение напряжения стабилизации, соответствующее изменению ∆Е напряжения источника.

Подготовка к работе
1. Ознакомиться с описанием лабораторной работы и подготовить бланк для выполнения отчета.
2. Изучить конструкцию и условные обозначения выпрямительных диодов и стабилитронов.
3. Изучить принцип действия выпрямительных диодов и стабилитронов.
4. Изучить характеристики и параметры выпрямительных диодов и стабилитронов.
5. Изучить области применения диодов.
6. Научиться выбирать диоды по справочным данным.
Порядок выполнения работы
Исследование диода
1. Запустите программу Multisim 10.1.
2. Выберите диод в соответствии с вариантом. Для этого используя полосу
«набор элементов» нажмите кнопку с изображением диода. В открывшемся окне найдите нужную марку диода и нажмите кнопку ОК.
Таблица 1.1 - Вариант и марка диода
Вариант
Марка диода
Вариант
Марка диода
Вариант
Марка диода
1 1N4001 5
1N4005 9
1N4149 2
1N4002 6
1N4006 10 1N4150 3
1N4003 7
1N4007 11 1N4151 4
1N4004 8
1N4148 12 1N4152 3. Построить схему, изображенную на рисунке 1.9, для исследования характеристик диода в прямом включении.
Рисунок 1.9 – Схема прямого включения диода
Схема состоит из:

- исследуемого диода VD, включенного в прямом включении (+ на анод,- на катод);
- постоянного источника напряжения V1 (Панель элементов, выбираем источники, раздел Sources, компонент DC_Power);
- измерительный прибор амперметр и вольтметр (на боковой панели приборов выбираем мультиметр и вытаскиваем его на рабочую поверхность);
- переменный резистор с номиналом 10 Ом (Панель элементов, выбираем пассивные элементы (Basic), семейство Potentiometer, компонент 10).
- общий провод (Панель элементов, выбираем источники, раздел Sources, компонент Ground);
4. Задаемся значением источника питания 12 В.
5. Изменяя значение сопротивления потенциометра R1, изменяет значение выходного напряжения, подаваемого на диод. Это соответственно изменяет величину тока через диод VD.
6. Снимем данные для построения прямой ветви ВАХ диода и занесем в таблицу 1.2
Таблица 1.2 – Данные опыта прямого включения диода
Uпр , В
0
Iпр , мА
0 7. Построить схему, изображенную на рисунке 1.10, для исследования характеристик диода в обратном включении.
Рисунок 1.10 – Схема обратного включения диода
8. Задаемся значением источника питания 120 В. Для этого два раза кликаем по источнику питания и задаем значение 120.

9. Изменяя значение сопротивления потенциометра R1, изменяет значение выходного напряжения, подаваемого на диод. Это соответственно изменяет величину тока через диод VD.
10. Снимете данные для построения обратной ветви ВАХ диода и занесем в таблицу 1.3.
Таблица 1.3 – Данные опыта обратного включения диода
Uобр , В
Iобр , мкА
11. Постройте вольт - амперную характеристику диода.
На основании полученных данных (таблица 1.2 и 1.3) постройте в одной декартовой системе координат вольт - амперные характеристики диода.
Правильно выберите масштаб.
12. Проанализируйте вольт – амперные характеристики диода, ответьте на вопросы и выполните задания:
-
Почему ток через диод при прямом включении многократно превышает ток при обратном включении?
- запишите значения I
пр.max и U
обр.max
, при которых диод вышел из строя.
Почему эти параметры называют предельными?
- рассчитать R
пр и R
обр для максимальных значений U
пр и U
обр
;
- запишите предельные параметры для своего типа диода из справочника по полупроводниковым диодам.
Исследование стабилитрона
13. Соберите схему для исследования стабилитрона изображенную на рисунке
1.11. Марку стабилитрона выбрать относительно варианта.
Таблица 1.4 - Вариант и марка стабилитрона
Вариант
Марка стабилитрона
Вариант
Марка стабилитрона
Вариант
Марка стабилитрона
1 1N4728 5
1N4732 9
1N4736 2
1N4729 6
1N4733 10 1N4737 3
1N4730 7
1N4734 11 1N4738 4
1N4731 8
1N4735 12 1N4739
Схема состоит из:
- исследуемого стабилитрона (Панель элементов, выбираем диоды (Diodes), семейство Zener).
- постоянного источника напряжения V1;
- измерительный прибор амперметр и вольтметр;
- переменный резистор с номиналом 10 Ом.
- общий провод.

Рисунок 1.11 – Схема исследования стабилитрона
14. Изменяя значение сопротивления потенциометра R1, изменяет значение выходного напряжения, подаваемого на стабилитрон. Это соответственно изменяет величину тока через стабилитрон D1.
15. Снимете данные для построения ВАХ стабилитрона и занесем в таблицу 1.5.
Таблица 1.5 – Данные опыта работы стабилитрона
U, В
I, мкА
16. Построить график работы стабилитрона и сделать выводы.
Отчёт по лабораторной работе должен содержать:
-
Тему и цель работы
-
Схемы эксперимента с указанием марки диода и с указанием марки стабилитрона
-
Таблицы с результатами измерений
-
Вольт – амперные характеристики диода и стабилитрона
-
Выводы
Контрольные вопросы
1)
Почему диод обладает односторонней проводимостью?
2)
Назовите предельные параметры выпрямительных диодов.
3)
Почему изменение температуры приводит к изменению токов диода?
4)
Для чего используется параллельно – последовательное включение диодов?
5)
Назовите области применения диодов.
6)
Для чего применяется стабилитрон?
7)
Как работает стабилитрон при изменении напряжения истоника питания?