Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию
Кафедра автоматики
Лабораторная работа № 1
Полупроводниковые диоды
Факультет: АВТ
Группа: АМ-611
Выполнили:
Вариант: 3
Проверил:
Новосибирск 2008
Цель работы:
Исследовать режимы работы полупроводниковых диодов. Экспериментально построить ВАХ диода и обратную ветвь ВАХ стабилитрона. Исследовать принцип работы параметрического стабилизатора напряжения и диодных ограничителей.
Оборудование:
Компьютерная программа Electronics Workbench, моделирующая принцип работы различных электрических цепей.
Исходные данные и рабочие формулы:
Диоды: GP10M
D1N5399GP
Стабилитрон: № 3
Ход работы:
1. Экспериментальное построение ВАХ диода.
1.1 Схемы
Рис.1. Схема для экспериментального построения прямой ветви ВАХ диода.
Рис.2. Схема для экспериментального построения обратной ветви ВАХ диода.
1.2 Таблицы экспериментальных данных
Табл.1. Таблица для экспериментального построения прямой ветви ВАХ диода.
Е, В | 0,3 | 0,5 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | |
D1N5399GP | Uд, мВ | 198 | 268.2 | 359.7 | 441.6 | 485.9 | 516.3 | 539.3 | 557.9 | 573.4 | 586.7 | 598.4 | 608.9 | 618.2 |
Iд, мА | 0,204 | 0,464 | 1,281 | 3,117 | 5,028 | 6.967 | 8.921 | 10.88 | 12.85 | 14.83 | 16.80 | 18.78 | 20.76 | |
GP10M | Uд, мВ | 260,3 | 363,2 | 477 | 563,3 | 606,9 | 636,1 | 658 | 675,5 | 690 | 702,5 | 713,5 | 723,2 | 732,0 |
Iд, мА | 0,07948 | 0,2737 | 1,046 | 2,873 | 4,786 | 6,728 | 8,684 | 10,65 | 12,62 | 14,6 | 16,57 | 18,55 | 20,54 |
Табл.2. Таблица для экспериментального построения обратной ветви ВАХ диода.
Е, мВ | 10 | 20 | 50 | 100 | 200 | 500 | 700 | 800 | 1000 | 2000 | |
D1N5399GP | Uд, мВ | 8,753 | 17,61 | 44,70 | 91,29 | 187,9 | 486 | 685,8 | 785,8 | 985,6 | 1985 |
Iд, мкА | 2,494 | 4,798 | 10,61 | 17,41 | 24,24 | 27,98 | 28,35 | 28,48 | 28,71 | 29,74 | |
GP10M | Uд, мВ | 9,781 | 19,59 | 49,11 | 98,59 | 198,1 | 497,8 | 697,7 | 797,6 | 997,5 | 1997 |
Iд, мкА | 0,438 | 0,831 | 1,780 | 2,810 | 3,769 | 4,432 | 4,649 | 4,752 | 4,955 | 5,958 |
1.3 ВАХ диодов D1N5399GP и GP10M
Рис. 3. ВАХ диодов D1N5399GP и GP10M при прямом включении.
Рис. 4. ВАХ диода D1N5399GP и GP10M при обратном включении.
1.4 Определите сопротивления диода переменному и постоянному току
D1N5399GP: Rпр1 = 615мВ / 20 мА = 30,75 Ом
rпр1 = (615-528)мВ / 20 мА = 4,35 Ом
Rпр2 = 374 мВ / 1,5 мА = 249,3 Ом
rпр2 = ( 374-283 ) мВ / 1,5 мА = 60,6 Ом
Rобр = 500 мВ / 28 мкА= 17,85 кОм
rобр = 500 мВ / ( 28-27,2 ) мкА = 625 кОм
GP10M: Rпр1 = 730 мВ / 20 мА = 36,5 Ом
rпр1 = ( 730-644 ) мВ / 20 мА = 4,3 Ом
Rпр2 = 508 мВ / 1,5 мА = 338,6 Ом
rпр2 = ( 508-418 ) мВ / 1,5 мА = 60 Ом
Rобр = 500 мВ / 4,5 мкА = 111,1 кОм
rобр = 500 мВ / ( 4,5-3,74 ) мкА = 657,9 кОм
Табл. 3 Результаты расчётов по ВАХ диода
Eпр, мВ | Rпр1, Ом | rпр1, Ом | Rпр2, Ом | rпр2, Ом | Rобр, кОм | rобр, кОм | IOобp, мкА | |
I. Ge | 528 | 14,35 | 4,35 | 249,3 | 60,6 | 17,85 | 625 | 27,2 |
II. Si | 644 | 36,5 | 4,3 | 338,6 | 60 | 111,1 | 657,9 | 3,74 |
2. Экспериментальное построение обратной ветви ВАХ стабилитрона.
2.1 Схемы
Рис.5. Схема для экспериментального построения обратной ветви ВАХ стабилитрона.
2.2 Таблицы экспериментальных данных
Табл.4. Таблица для экспериментального построения обратной ветви ВАХ стабилитрона.
E, B | 0,3 | 0,5 | 1 | 2 | 3 | 4 |
Iст. обр(мкА) | 99,87 | 100 | 100,1 | 100,2 | 100,3 | 100,4 |
Uст. обр (мВ) | 250,1 | 450 | 950 | 1950 | 2950 | 3950 |
Табл.4. Продолжение
E, B | 5,1 | 5,2 | 5,3 | 5,5 | 6 | 7 | 8 |
Iст. обр(мА) | 0,1694 | 0,331 | 0,506 | 0,871 | 1,814 | 3,738 | 5,678 |
Uст. обр (В) | 5,015 | 5,034 | 5,047 | 5,065 | 5,093 | 5,131 | 5,161 |
Табл.4. Продолжение
E, B | 9 | 10 | 12 | 13 | 15 |
Iст. обр(мА) | 7,623 | 9,572 | 13,48 | 15,43 | 19,34 |
Uст. обр (В) | 5,188 | 5,214 | 5,262 | 5,285 | 5,330 |
2.3 График обратной ветви ВАХ стабилитрона
Рис. 5
2.4 Определите сопротивления стабилитрона переменному и постоянному току
Табл. 5 Результаты расчёта обратной ветви ВАХ стабилитрона
Uст, В | R1, кОм | r1, МОм | R2, Ом | r2, Ом |
5 | 24,94 | 9,8 | 348,53 | 12 |
2.5 Расчет:
=5B 
3. Параметрический стабилизатор напряжения.
3.1 Схемы
Рис.7. Параметрический стабилизатор напряжения
3.2 Таблицы экспериментальных данных
Табл. 6 Таблица для построения нагрузочной характеристики схемы Uнагрузки=f(Iнагрузки)
Rнагузки (Ом) | I нагрузки (мА) | U нагрузки (В) | I стабилитр (мА) | I суммарный (мА) |
100 | 49,92 | 4,992 | 100*10-3 | 50,02 |
300 | 18,17 | 5,451 | 30,32 | 48,50 |
1000 | 5,58 | 5,581 | 42,48 | 48,06 |
3.3 График нагрузочной характеристики
4. Диодные ограничители.
4.1 Схемы
Рис.9. Шунтирующий ограничитель на стабилитроне.
4.2 Осциллограммы
|
|
Рис.10 Осциллограммы входного и выходного напряжений
I : Uвых = 8,8249 В
Uвх = 9,8249 В
II : Uвых= - 621,2021 мВ
Uвх= - 9,8132 В
Выводы:
1. 
Экспериментальное построение ВАХ диода.
На ВАХ диодов D1N5399GP и GP10M при прямом включении видно различие в напряжении “пятки” у диодов. Это обуславливается различием полупроводников, из которых изготовляются диоды. На ВАХ диодов D1N5399GP и GP10M при обратном включении наблюдается различие в величине теплового тока у диодов. При этом, чем больше напряжение “пятки” тем меньше тепловой ток и наоборот. Это утверждение подтверждается следующим уравнением: Uд=φтln((Iд+Io)/Io). Проанализировав оба графика, можно определить, что диод GP10M – кремниевый, а D1N5399GP – германиевый.
При прямом включении сопротивление постоянному току определяется по формуле Rпр= Uд/Iд. Так как φт~27.2мВ, то сопротивление будет расти с уменьшением прикладываемого к диоду напряжения (диод будет приближаться к закрытому состоянию). У разных диодов при одинаковом приложенном напряжении сопротивление постоянному току будет больше у того, у кого меньше значение теплового тока.
При прямом включении сопротивление переменному току определяется по формуле rпр=dU/dI= φт/ (Iд+Io). Следовательно, сопротивление растёт с уменьшением протекающего через диод тока, а у разных диодов при одинаковом протекающем токе сопротивление переменному току будет больше у того, у кого меньше значение теплового тока.
Сопротивление постоянному току при обратном включении определяется по закону Ома, и, следовательно, должно быть велико, так как при больших напряжениях ток практически не меняется и остаётся равным тепловому току. Поэтому при одинаковом приложенном напряжении, сопротивление будет больше у того диода, у которого меньше значение теплового тока.
Сопротивление переменному току при обратном включении определяется по формуле: rпр=dU/dI= φт/ (Iд+Io). Так как φт~27.2мВ, а Iд~Io, сопротивление переменному току будет больше, чем постоянному. А при прочих равных условиях оно будет больше у диода с меньшим тепловым током.
2. Экспериментальное построение обратной ветви ВАХ стабилитрона.
Стабилитрон, в отличие от диода работает в режиме обратного пробоя, и, следовательно, обладает ёще одной характеристикой – напряжением стабилизации
При напряжениях, меньших напряжения стабилизации, режим работы стабилитрона похож на режим работы диода при обратном включении. Поэтому при таких напряжениях сопротивление постоянному и переменному току довольно велики, причём сопротивление переменному току больше, чем постоянному.
В режиме обратного пробоя, при небольших изменениях напряжения, ток, протекающий через стабилитрон, резко увеличивается. Поэтому сопротивление постоянному и переменному току в этом режиме гораздо меньше, причём сопротивление переменному току меньше, чем постоянному.
3. Параметрический стабилизатор напряжения.
Параметрический стабилизатор напряжения используется для превращения пульсирующего напряжения в постоянное, а также для получения из постоянного напряжения “высокого” уровня постоянного напряжения более “низкого” уровня при изменяющейся нагрузке.
По экспериментальным данным видно, что при изменяющейся нагрузке, напряжение меняется незначительно, хотя и меняется текущий через нагрузку ток. При увеличении тока через нагрузку напряжение на нагрузке уменьшается.
4. Диодные ограничители.
Диодные ограничители служат для преобразования формы переменного сигнала. Данная схема ограничителя выдаёт выходной сигнал, по которому можно определить напряжение стабилизации и напряжение “пятки”.
