Как снять вах диода с помощью осциллографа

дифференциальное сопротивление диода rдиф — отношение приращения

напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока

для Iпр =4 мА rдиф=ΔU/ΔI=0.03/4=0,0075 Ом

для Iпр = 0,4 мА rдиф=ΔU/ΔI=0,04/0,4=0,1 Ом

для Iпр = 0,2 мА rдиф=ΔU/ΔI=0,06/0,2=30 Ом

д) для Uобр= 5 В rдиф=ΔU/ΔI=5/0= ∞ Ом

е) При Iпр = 0.4 мА сопротивление диода: Rст= Unp /Iпр = 0,604/0,4=1,51 Ом

ж) Напряжение изгиба: Uизг=0,65 В

Задание №4 Получение ВАХ на экране осциллографа

Вывод:Выпрямительный диод исследован. Наблюдалось большое различие сопротивлений в прямом и обратном направлениях, что обуславливает вентильные свойства диода (способность к пропусканию тока в одном направлении).

Контрольные вопросы:

1. Сравните напряжение на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

Проводимость (наличие тока) возникает тогда, когда к аноду приложен положительный, а к катоду – отрицательный потенциал. Это создает так называемое прямое смещение.

Блокирование (отсутствие тока) имеет место при подаче отрицательного потенциала на анод, а положительного – на катод. Это режим обратного смещения.

Есть два пути, по которым можно сместить диод p-n перехода.

1) Прямое смещение и 2) Обратное смещение

Основное различие между прямым смещением и обратным смещением в направлении подачи внешнего напряжения. Направление внешнего напряжения в обратном смещении противоположно внешнему напряжению в прямом смещении.

При прямом направлении тока напряжение минимальное, так как сопротивление диода в прямом направлении практически нулевое, а в обратном направление сопротивление стремится к бесконечности, а напряжение равно напряжению источника питания (исходя из формулы U=IR)

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

Когда напряжение увеличивается, ток возрастает, формируя положительную часть ВАХ. Когда U отрицательно, диод не проводит, что соответствует режиму обратного смещения.

3. Что такое ток насыщения?

Ток насыщения — участок на графике ВАХ, на котором при увеличении напряжения, ток не изменяется, т. е. ток максимален. Следующим состоянием прибора (если продолжать увеличение тока) будет электрический пробой.

4. Существуют ли различия между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе?

Диод — нелинейный элемент, не имеющий омического сопротивления.

Прямое и обратное сопротивления — это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления;

Дифференциальное сопротивление—это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольтамперной характеристики к оси абсцисс.

5. p — n переход и его свойства?

Элементы V группы имеют пять валентных электронов, поэтому при образовании валентных связей один электрон оказывается лишним . Такие полупроводники обладают электронной электропроводностью, так| как в них основными носителями заряда являются электроны. Они называются полупроводниками п-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался избыток электронов, называется донорной.

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Сводные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне joHe полупроводника р-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким удельным сопротивлением,- так называемый запирающий слой.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение U_обр которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е_вн совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е_зап ., то это приведет к расширению запирающего слоя, так как носители заряда уйдут от контактной зоны. При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал, так как обусловлен I_обр, а p-n-переход – закрытым.

Противоположной полярности источника напряжения внешнее поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается. Сопротивление p-n-перехода резко снижается и возникает сравнительно большой ток. В этом случае ток называют прямым I_пр, а p-n-переход – открытым. В p-n-переходах могут возникать пробои – лавинный, электрический, тепловой и туннельный.

Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающая в том, что первоначальные свойства p-n-перехода восстанавливаются, если снизить напряжение на p-n-переходе. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниках.

II. Получение вах на экране осциллографа.

Открыть файл «Схемы\09\C9_014\C9_014.CA4» папки «Схемы».

Включить схему (рисунок 5).

Рисунок 5 – Схема подключения осциллографа.

На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной — ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА).

Измерить и записать величину напряжения изгиба.

III. Снятие вах при различный температурах.

Для снятия ВАХ при различных температурах провести эксперимент I, но изменяя температуру диода.

Для изменения температуры диода необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши на диоде, в контекстном меню выбрать «Component Properties», в открывшемся диалоговом окне на вкладке «Analysis Setup» снять «метку» «Use global temperature » и в поле «Temperature» установить необходимую температуру.

IV. Измерение статического сопротивления диода.

Открыть файл «Схемы\09\C9_011\C9_011.CA4» папки «Схемы».

Определить статическое сопротивление диода при прямом включении.

Мулътьиметр (рисунок 6) включен в режим омметра.

Рисунок 6 – Мультиметр.

Открыть файл «Схемы\09\C9_011\C9_011а.ewb» папки «Схемы» и аналогично определить статическое сопротивление диода при обратном включении.

Записать результаты измерений.

V. Исследование выпрямительных свойств диода.

Открыть файл «Схемы\09\C9_002\C9_02. ewb» папки «Схемы»

На экране осциллографа хорошо наблюдаются выпрямительные свойства диода Сигнал синего цвета -сигнал с генератора, сигнал красного цвета — выпрямленный диодом сигнал. Переключив генератор в режим генерации пилообразных и прямоугольных импульсов, хорошо заметны выпрямительные свойства диода.

При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рисунок 7).

Рисунок 7 — Параметрический стабилизатор.

Ток I_ст стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R:

I_ст =(Е — U_ст)/R

Напряжение стабилизации U_стаб стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона Р_ст вычисляется:

Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по наклону ВАХ.

II. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон.

Открыть файл «Схемы\09\C9_021\C9_021.CA4» папки «Схемы»

Измерить значение напряжения U_ст на стабилитроне при значениях ЭДС источника, приведенных в таблице 5 и занести результаты измерений в ту же таблицу.

Наблюдение вольтамперной характеристики диода на экране осциллографа

Цель работы: Изучить вольтамперную характеристику полупроводникового диода и схемы выпрямителей.

Приборы:универсальный лабораторный стенд, осциллограф С1-72,

вольтметр, сменная плата.

I. Основные теоретические положения

В отношении электропроводящих свойств, все вещества делятся на три класса: проводники, полупроводники, диэлектрики.

В металлах, проводниках первого рода,концентрация свободных электронов велика, поэтому сопротивление металлов электрическому току незначительно.

В диэлектрикахконцентрация свободных электронов ничтожно мала, поэтому сопротивление диэлектриков большое.

В отношении электрического сопротивления полупроводникизанимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление металлов порядка 10 –6 -10 –8 (Ом∙см), полупроводников 10 –8 (Ом∙см), диэлектриков 10 10 — 10 15 (Ом∙см).

Характерной особенностью полупроводников является то, что их электрические свойства резко изменяются под влиянием ряда физических факторов: температуры, освещения, электрического поля, примесей. К полупроводникам относятся окислы и сульфиды металлов.

Классическая электронная теория не может объяснить проводимость полупроводников вследствие того, что концентрация носителей в полупроводниках зависит от температуры. Кроме того, проводимость полупроводников зависит от количества примесей.

Полупроводники, проводимость которых обусловлена избыточными электронами, называются полупроводниками n — типа.Примесные атомы с валентностью, превышающей валентность атомов решетки, называются

Донорными.

Полупроводники, проводимость которых вызывается наличием "дырок", называются полупроводниками p — типа.Примесные атомы, валентность которых меньше валентности атомов кристалла, называются акцепторными,т. к. они захватывают электроны.

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводимости называется электронно-дырочным или р-n — переходом.Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. в месте контакта возникает односторонняя проводимость тока, ток хорошо проходит в одном направлении и почти не проходит в обратном. Это происходит вследствие того, что в полупроводниках концентрация свободных электронов мала, возникающие в месте контакта ионы проникают на значительную глубину в полупроводники и перераспределяют свободные носители заряда в области контакта.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании свойств одного или нескольких р-n — переходов. Рассмотрим физические процессы в таком переходе.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. При этом положительные "дырки"диффундируют в n — полупроводник и нейтрализуют часть электронов. Свободные электроны из n — полупроводника также диффундируют в р — полупроводник, нейтрализуя часть "дырок".

В результате, правый полупроводник оказывается заряженным положительно, левый — отрицательно, возникает контактная разность потенциалов

U_K = j_n—j_p (см. рис. 1.1) препятствующая дальнейшему перемещению электронов и "дырок" через границу раздела. В р-n — переходе возникает слой d, называемый "запирающим", обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов p- и n- полупроводников.

Приложим к рассматриваемому р-n — переходу разность потенциалов. Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р- типа, а отрицательным полюсом к полупроводнику

В этом случае внешняя разность потенциалов будет уменьшать контактную разность потенциалов. Электроны начнут двигаться к положительному полюсу батареи, “дырки”- к отрицательному, по цепи пойдет большой ток, который называется прямымтоком (см. рис. 1.2).

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области p-, а отрицательным к области n- . Под действием такого обратного напряжения U_обр через переход протекает очень небольшой обратныйток I_обр, величина которого в этом случае будет очень мала и обусловлена тепловой диффузией электронов и "дырок"(см. рис. 1.3).

График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикойданного прибора. Пример такой характеристики для диода небольшой мощности дан на рисунке 1.4.

Вольтамперная характеристика показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Прямое сопротивление бывает не выше нескольких десятков Ом.

Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт составляет единицы или десятки микроампер. Это соответствует сопротивлению несколько сотен КОм и больше.

Характеристика для прямого тока имеет значительную нелинейность, так как при увеличении прямого напряжения сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет с все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слей практически исчезает и остается только сопротивление n- и р- областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому дальше характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока n- и р- области нагреваются, и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения вначале быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако, при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. При некотором значении обратного напряжения возникает пробой n-р — перехода, при котором обратный ток резко возрастает, и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается.

Если внешнюю батарею в рассмотренных случаях заменять источником переменного тока, то в течение одного полупериода будет наблюдаться значительный ток, в течение другого — очень малый, т. е. система будет служить выпрямителем.

Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока. Любой выпрямитель является потребителем энергии переменного тока и генератором постоянного тока.

Поскольку полупроводниковые диоды, которые представляют собой электронно-дырочный переход, хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят ток в обратном, то они могут использоваться для выпрямления переменного тока. Простейшая схема выпрямителя переменного тока показана на рисунке 1.5.

Эта схема называется однополупериодным выпрямителем. Работа простейшего выпрямителя происходит следующим образом. От вторичной обмотки трансформатора Тр на вход схемы подается переменное напряжение U₂ (см. рис. 1.6а).

При действии на входе полуволны переменного напряжения положительной полярности, зажим Т1 (см. рис. 1.5) будет положителен по отношению к зажиму Т2, во время этого полупериода напряжение для диода является прямым, и через него проходит ток, создающий на нагрузочном резисторе R_H падение напряжения U_R. В течение следующего полупериода изменения входного напряжения потенциал зажима Т1 отрицательный, а зажима Т2 — положительный. Поэтому напряжение для диода является обратным, тока практически нет U_R = 0. Таким образом, через диод и нагрузочный резистор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутком также в полпериода (см. рис. 1.6б).

Другие, более сложные схемы для выпрямления переменного тока представляют собой комбинацию нескольких однополупериодных схем.

Рассмотрим двухполупериодный выпрямитель. Одна из возможных схем которого показана на рисунке 1.7. От вторичной обмотки трансформатора Тр подается переменное напряжение на два выпрямляющих диода.

На рисунке 1.7 два выпрямляющих диода имеют общую точку, с которой снимается выпрямленное напряжение.

Когда между верхним выводом Т1 вторичной обмотки и средней точкой Т_с действует положительная полуволна переменного напряжения (см. рис. 1.8а), то электроны будут протекать через диод D1, в то время как диод D2 заперт. Когда же между нижним выводом обмотки Т2 и средней точкой Т_с действует положительная полуволна напряжения, диод DI закрыт, а диод D2 проводит ток, протекающий в направлении от нижнего вывода Т2 вторичной обмотки через цепь нагрузки и замыкает через общий провод. Таким образом, в течение каждого полупериода переменного напряжения формируется импульс выпрямленного тока (см. рис. 1.8б).

Устройство выпрямления можно строить на основе мостовых схем. Мостовая схема применяется в тех случаях, когда требуется производить двухполупериодное выпрямление. В выпрямителе мостового типа используются четыре полупроводниковых диода, включенных по мостовой схеме. Типичной схемой такого рода является схема диодного выпрямителя, показанная на рис.1.9.

В этой схеме переменное напряжение, прикладываемое к противоположным узлам диодного моста, преобразуется в пульсирующее выпрямленное напряжение, снимаемое с двух других узлов.

При действии на входе полуволны переменного напряжения (см. рис. 1.8а) положительной полярности, зажим Т1 (см. рис. 1.9) будет положителен по отношению к зажиму Т2. В этом случае электроны поступают на зажим Т2 и выводятся через зажим Т1. Электроны от зажима Т2 поступают на узел с диодами D3, D4, причем, только D3 имеет нужное для проводимости направление включения.

Поэтому электроны движутся, пройдя через этот диод, к узлу с диодами D3 и D1. Полярность напряжения, приложенного к диоду D1, является запирающей, так что электроны от этого узла поступают на резистор R_H. При протекании тока через резистор, на последнем возникает падение напряжения U_R. После прохождения через рези­стор электроны достигают узла с диодами D2 и D4. Но только на диоде D2 действует отпирающее напряжение, позволяющее электронам двигаться к выводам Т1, потенциал которого положителен при данной полуволне переменного тока. Диод D4 заперт, так как потенциал Т2 отрицателен.

В течение следующего полупериода изменения входного напряжения потенциал зажима Т1 отрицательный, а зажима Т2 — положительный. Поэтому электроны от зажима Т1 перемещаются к узлу с диодами D1 и D2, и, поскольку нужную для проводимости полярность имеет лишь диод D1, электроны проходят через этот диод и опять поступают на резистор R_Н создавая на нем падение напряжения той же полярности, что и в первом случае.

Далее электроны, как и прежде, поступают на узел с диодами D2 и D4, и к зажиму Т2 они проходят через диод D4.

Таким образом, мостовой выпрямитель обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в выпрямителях применяют специальные сглаживающие фильтры. В сглаживающем фильтре применяются конденсаторы большой емкости. Часто также в этих фильтрах ставят дроссели, т. е. катушки с большой индуктивностью. Чем выше частота пульсаций, тем меньше сопротивление конденсатора и больше сопротивление дросселей, а, следовательно, тем эффективнее работает сглаживающий фильтр. Простейшая схема для сглаживания пульсаций с применением фильтра в виде конденсатора С, шунтирующего резистор нагрузки R_H приведена на рисунке 1.10.

Во время некоторой части положительного полупериода, когда напряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку R_Н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается, и его напряжение снова возрастает.

Разрядка конденсатора через сравнительно большое сопротивление нагрузки совершается гораздо медленнее рис.1.11. Вследствие этого, напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначительно.

II. Описание опытной установки

В лабораторной работе для изучения полупроводниковых приборов используется универсальный лабораторный стенд, который является источником переменного напряжения. Электрическая схема, необходимая для выполнения эксперимента, смонтирована на сменной плате. Наблюдение осциллограмм при изучении различных схем выпрямителей переменного тока осуществляется при помощи осциллографа.

Объектом исследования в данной работе являются полупроводниковые кремниевые диоды.

Диоды, резисторы и конденсаторы, необходимые для выполнения эксперимента, смонтированы на специальной сменной плате. Принципиальная электрическая схема сменной платы приведена на рисунке 1.12, а схема расположения электрических элементов и внешний вид сменной платы приведены на рисунке 1.13.

На сменной плате (рис. 1.13) расположены полупроводниковые кремниевые диоды Dl, D2, D3, D4, необходимые для изучения различных схем выпрямления перемен­ного тока. Постоянные резисторы R1 и R2 являются нагрузочными сопротивлениями в исследуемых схемах.

На сменной плате расположены конденсаторы С1 и C2, необходимые для сглаживания выпрямленного напряжения. Переключатели К2 и КЗ предназначены для поочередного подключения конденсаторов в исследуемую цепь. При помощи переключателя К1, установленного на сменной плате, осуществляется подключение к источнику переменного напряжения одной из двух возможных электрических схем. В верхнем положении переключателя К1 (рис. 1.13) (положение 1-2 на рис. 1.12) реализуется схема для изучения двухполупериодного мостового выпрямителя, а в нижнем положении переключателя К1 (рис. 1.13) (положение 1-3 на рис. 1.12) — схема для снятия вольт-амперной характеристики и изучения однополупериодного выпрямителя. На сменной плате имеется ряд дополнительных гнезд 1-5 для монтажа схем.

ΙΙΙ. Методика проведения эксперимента

Наблюдение вольтамперной характеристики диода на экране осциллографа

Наблюдение вольтамперной характеристики диода на экране осциллографа осуществляется при помощи электрической схемы, которая приведена на рисунке 1.14.

Данная электрическая схема собрана на сменной плате. Для наблюдения вольтамперной характеристики необходимо установить сменную плату в лабораторный стенд, при помощи соединительных проводов и, используя соответствующие гнезда "1-3", подсоединить осциллограф к схеме. Включив приборы в сеть, дать им прогреться несколько минут. При подаче переменного напряжения на схему можно наблюдать на экране осциллографа изображение вольтамперной характеристики.

Получение ВАХ на экране осциллографа

Для того, чтобы получить ВАХ на экране осциллографа, следует собрать схему как на рисунке 9, добавив между точкой В и землей резистор на 1 Ом. Генератор лучше настроить на частоту 10-50Гц, чтобы все диоды успевали нормально закрыться. Амплитуда генератора порядка 5 вольт. Осциллограф нужно перевести в режим В/А. Включить схему. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной – ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обращают внимание на изгиб ВАХ. Измеряют величину напряжения изгиба.

Контрольные вопросы

1. Какова структура p-n перехода? Пояснить электрические процессы, происходящие в отсутствии внешнего напряжения.

2. Какие процессы происходят при прямом и обратном включении p-n перехода?

3. Что такое пробой p-n перехода? Каковы виды пробоя? Как используют явление пробоя в полупроводниковых приборах?

4. Каково назначение полупроводниковых диодов? Приведите статическую вольтамперную характеристику выпрямительного диода.

5. Назовите виды диодов.

6. Опишите, каким образом производится измерение напряжения и вычисление тока через диод. Начертите соответствующую схему.

7. Опишите, каким образом производится измерение тока

8. Опишите, каким образом производится измерение статического сопротивления диод. Начертите соответствующую схему.

9. Опишите, каким образом производится снятие вольтамперной характеристики диода. Начертите соответствующую схему.

10. Опишите, каким образом производится получение ВАХ на экране осциллографа. Начертите соответствующую схему.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Самое популярное на сайте:

Франчайзинг Эффективные формы международного предпринимательства Для организации международной деятельности фирме потребуется проанализировать.
Формы и системы заработной платы Формы и системы заработной платы представляют собой способы установления зависимости величины заработной платы от количества и.
Основное содержание «Конвенции о правах ребенка» План: 1. Конвенция о правах ребенка 2. Общие положения Конвенции о правах ребенка 1. Конвенция о правах ребенка — это первый.
Миссия и цели предприятия Миссия организации является важнейшей составляющей стратегического плана развития любой компании.
Фольклорные традиции в русской литературе 19 и 20 вв. Для литературы XIX в. характерно широкое обращение к устному народному творчеству. А. С. Пушкин стал первым поэтом XIX века.