Порядок виконання роботи

1. Зберіть в програмі Electronic Workbench послідовно схеми мал.1.12-1.15.

2. Для кожної схеми мал.1.12-1.15 зробить графік залежності струму від поданої напруги ВАХ.

3. Проаналізуйте отримані дані. Зробіть аналіз схеми, використовуючи інструменти індикації. Вивід термінала здійснюється подвійним натисканням клавіші миші на елементі. У випадку потреби можна скористатися кнопкою Pause.

4. При необхідності зробіть доступні аналізи в розділі меню Analysis.

5. Занесіть пояснення щодо створення схем у звіт.

6. Зробіть висновки.

Електронні схеми для дослідження роботи діодів.

Рис. 1.12 – Схема для визначення зворотної гілки ВАХ.

Рис. 1.13 – Схема для визначення прямої гілки ВАХ .

Рис. 1.14 – Пряме ввімкнення діода.

Рис. 1.15 – Зворотнє ввімкнення діода;

Питання і завдання для повторення:

1. Як побудований напівпровідниковий діод?

2. Які типи p-n переходів Ви знаєте ?

3. Перерахуйте складові ємності p-n переходу?

4. Назвіть і коротко охарактеризуйте типи напівпровідникових діодів?

5. Як виникає р-n перехід при ідеальному контакті напівпровідників з різним типом електропровідності.

6. Намалювати схему і пояснити спосіб зняття ВАХ діодів за допомогою амперметра і вольтметра.

7. Намалювати схему і пояснити спосіб зняття ВАХ діодів за допомогою осцилографа.

8. Пояснити роботу р-n переходу при прямому і зворотному включенні.

9. Чим відрізняються ВАХ ідеального р-n переходу і реального діода.

10. Намалювати ВАХ стабілітрона і визначити робочу ділянку ВАХ при стабілізації напруги.

Лабораторна робота № 2. Дослідження напівпровідникового стабілітрона.

Мета: Вивчення принципів дії та основних властивостей напівпровідникових стабілітронів; дослідження їх вольтамперних характеристик, ознайомлення з основними параметрами та використанням.

Програмне забезпечення: програмне забезпечення комп'ютерного моделювання електронних схем (програма Electronic Workbench).

Основні теоретичні відомості

Стабілітрон - напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою при зворотному змішанні слабо залежить від струму в заданому його діапазоні. Стабілітрони призначені для стабілізації напруги.

У напівпровідникових стабілітронах використовується властивість незначної зміни зворотної напруги на р-n - переході при електричному (лавинному або тунельному) пробої рис. 2.1. Це пов'язано з тим, що невелике збільшення напруги на р-n - перехід в режимі електричного пробою викликає більш інтенсивну генерацію носіїв заряду і збільшення зворотного струму. Ділянка 1-2 рис. 2.1 є робочим ділянкою вольтамперной характеристики.

Мал. 2.1 - Вольтамперна характеристика напівпровідникового стабілітрона.

Основним параметром стабілітрона є напруга стабілізації Ucт, що дорівнює напрузі пробою. Шкала напружень біля промислових стабілітронів лежить в межах 3-180 В.

Точка 1 на характеристиці відповідає мінімальному струму стабілітрона 1ст.min, при якому настає пробій. Точці 2 відповідає максимальний струм стабілітрона Iст.max, досягнення якого ще не загрожує тепловим пробоєм р-n-переходу. Iст.max обмежується величиною максимальної потужності розсіювання Рmax.

Параметром, що характеризує нахил робочої ділянки характеристики, є динамічний опір стабілітрона Показником залежності напруги стабілізації від температури служить температурний коефіцієнт напруги стабілізації (ТКН) Він визначає зміна напруги стабілізації при зміна температури навколишнього середовища на 1 ° С, виражене у відсотках. Для кремнієвих стабілітронів ТКН може бути позитивним і негативним. При тунельному характері пробою ТКН має позитивний знак, а при лавинному - негативний знак. Для зменшення ТКН послідовно зі стабілітроном включають напівпровідникові діоди, мають протилежний знак ТКН.

Напівпровідникові стабілітрони застосовуються в основному в стабілізаторах напруги.

Параметри стабілітронів

1. Напруга стабілізації – номінальне значення напруги на стабілітроні при заданому зворотному струмі стабілітрона в області пробою. Напруга стабілізації, приблизно, дорівнює напрузі пробою. У стабілітронах напругою стабілізації до 7 В використовується тунельний пробій, а з напругою стабілізації більше 15 В - лавинний пробій.

В даний час розроблені стабілітрони на стабілізування напруги від одиниць вольт до сотень вольт.

2. Диференціальне динамічний опір стабілітрон –

Для тунельного пробою диференційна провідність p-n переходу

, (2.1)

де – коефіцієнт, що враховує властивості матеріалу.

Для лавинного пробою:

. (2.2)

Величина диференційного опору залежить від напруги стабілізації. Мінімальне значення спостерігається у діодів з напругою стабілізації 7 .. 10 В. Це пояснюється тим, що в цій області діють обидва механізми пробою. При переході в область лавинного пробою, тобто при збільшенні, і в область тунельного пробою, тобто при зменшенні, диференційна провідність різко зростає (рис. 2.3). Згідно (2.1) та (2.2) зменшується з ростом струму стабілітрона. Чим менше , тим вище ступінь стабілізації напруги.

Мал.2.2. Характер залежності температурного коефіцієнта напруги стабілізації (ТКН) і динамічного опору від напруги стабілізації стабілітронів

3. Опір постійному струму характеризує втрати в діоді у даній робочій точці.

4. Критерій (коефіцієнт) якості стабілітрона – відношення статичного опору до диференційного при даному струмі стабілізації:

(2.3)

Критерій якості на відміну від диференціального опору характеризує не просто нахил ВАХ, а і його відношення до величини напруги стабілізації.

Так як максимальним змінам струму повинні відповідати мінімальні зміни напруги, то величина для хороших стабілітронів повинна бути як можна більше. Для сучасних стабілітронів лежать у межах 20.. 100.

5. Температурний коефіцієнт напруги стабілізації - ТКН – показує зміну напруги стабілізації від температури.

(2.4)

Залежно від виду пробою стабілітрона ТКН може бути позитивним або негативним. Якщо пробій тунельний, то ТКН негативний, а якщо пробій лавинний, то ТКН позитивний. Характер зміни ТКН для стабілітронів з різною напругою пробою показаний на рис.2.3. Для зменшення ТКН використовується послідовне включення двох або декількох стабілітронів з ТКН з різним знаком. При позитивному ТКН послідовно зі стабілітронів можна включати p-n перехід в прямому напрямку. Такий спосіб компенсації використовується в прецизійних стабілітронах. У цих стабілітронах послідовно з основним p-n переходом у прямому напрямку включено два компенсуючих переходи. Прецизійні стабілітрони використовуються як еталонні джерела напруги (нормальних елементів) ІІ класу. Такі стабілітрони мають ТКН 0,01% / град, у той час як у звичайних він становить 0,05 - 0,09% / град.

На практиці середній ТКН визначається за формулою:

(2.5)

6. Мінімальний ( ) і максимальний ( ) струми стабілізації. Мінімальний струм стабілізації обмежується шумами стабілітрону. При малих струмах пробій носить нестійкий характер, і ефективна напруга шумів на стабілітроні досягає декількох сотень мікровольт. З ростом струму пробій переходить у стійкий стан і шуми зменшуються.

Максимальний струм стабілізації обмежується допустимою потужністю розсіювання стабілітрона. У сучасних стабілітронів він становить від десятків міліампер до десятків ампер.

Напівпровідникові стабілітрони крім основного призначення в даний час знаходять широке застосування для обмеження постійної та імпульсної напруги, в якості елементів міжкаскадного зв'язку в електронних схемах, як керовані ємності, шумові генератори і т.д.