Исследование полупроводниковых стабилитронов

РОСЖЕЛДОР

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

(РГУПС)

В. А. Детистов

ИССЛЕДОВАНИЕ полупроводниковых СТАБИЛИТРОНОВ

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине «Физические основы электроники»

Ростов-на-Дону

2004

УДК 621.38 (074)

А.

Исследование полупроводниковых стабилитронов: Методические указания к лабораторной работе. - Ростов н /Д: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2004, - 12 с.

Приводятся краткие теоретические сведения по принципам работы стабилитронов, дается описание лабораторной установки, программа и методика выполнения работы, контрольные вопросы.

Предназначены для студентов специальности 180100 – Электромеханика (ж.-д. транспорт), изучающих курс «Физические основы электроники» и студентов специальности 100400 – Электроснабжение (ж.-д. транспорт), изучающих курс «Электронная техника и преобразователи».

Рекомендованы к изданию кафедрой «Электрические машины и аппараты» РГУПС.

Ил. 2. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В. Н. Таран (РГУПС)

Исследование полупроводниковых стабилитронов

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Физические основы электроники»

И. Гончаров

Техническое редактирование и корректура А. И. Гончаров

Подписано к печати 28.12.04. Формат 60x80/16

Бумага газетная. Ризография. Усл. печ. л. 0,7.

Уч.- изд. л. 1,07. Тираж 60 экз. Изд. № 000. Заказ №

Ростовский государственный университет путей сообщения

Ризография РГУПС

Адрес университета: 344038, Ростов н/Д, пл. Народного ополчения, 2

Ростовский государственный университет путей сообщения, 2004

Содержание

1. Лабораторная работа № 2 «Исследование полупроводниковых стабилитронов»

1.1. Цель работы

1.2. Краткие теоретические сведения

1.3. Порядок выполнения работы

1.4. Содержание отчета

1.5. Контрольные вопросы

Рекомендуемая литература

1. Лабораторная работа № 2

«Исследование полупроводниковых стабилитронов»

1.1. Цель работы

Целью лабораторной работы является углубление и закрепление знаний об основных физических процессах, протекающих в обратно смещенных электронно-дырочных переходах, особенностях полупроводниковых стабилитронов, их эксплуатационных параметрах; приобретение навыков экспериментального исследования таких приборов и определения показателей параметрических стабилизаторов.

1.2. Краткие теоретические сведения

Полупроводниковые диоды эффективно используются и в обратном включении. Когда обратное напряжение диода достигает определенного критического значения, ток диода начинает резко возрастать. Это явление называют пробоем диода. Различают электрический и тепловой пробой. Тепловой пробой вызывает разрушение прибора, электрический - используется для построения различных полупроводниковых диодов, в том числе и полупроводниковых стабилитронов. Существует два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим слоем. Этот пробой характерен для переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при сильном поле напряженностью более 105 В/см, действующем в p-n – переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей в полупроводниках. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который используется для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменению обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т. е. в режиме стабилизации, он получается таким же, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, т. к. получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного. На рис. 1, а дана типичная ВАХ стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме стабилизации напряжение меняется мало. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как и у обычных диодов. В точке А, где пробой является достаточно устойчивым, ток Imin обычно имеет значение порядка 50…100 мкА. После точки А ток резко возрастает и допустимое его значение Imax ограничивается лишь допустимой мощностью рассеивания.

В современных стабилитронах Imax колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя p-n перехода, зависит от концентрации примесей в p-n – структуре и лежит в пределах 4…200 В.

Для стабилизации малых напряжений используются кремниевые диоды при прямом включении – стабисторы. Например, диоды Д219С, Д222С, Д223С обеспечивают постоянное прямое напряжение (при прямом токе 50 ма и температуре 25°С) 1…1,5 В/ 3,4/.

В соответствии с ГОСТ 10862-72 стабилитронам присваивались обозначения по следующей системе. Первый элемент обозначения определяет исходный материал: К – кремний. Второй элемент обозначает – буква, характеризующая подкласс приборов: С – стабилитроны, стабисторы. Третий элемент обозначения определяет индекс мощности, четвертый – кодированное обозначение номинального напряжения стабилизации, пятый - последовательность разработки (буквы русского алфавита от А до Я). Расшифровку третьего и четвертого элемента обозначения находят обычно по справочнику. Пример обозначения KCI68A – стабилитрон полупроводниковый, предназначенный для устройств широкого применения кремниевый, мощностью не более 0,3 Вт, с напряжением стабилизации 6,8 В, последовательность разработки А /3,4/.

Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов для построения параметрических стабилизаторов напряжения. На рабочем участке характеристики (от Imin до Imax) зависимость напряжения стабилитрона от тока характеризуется дифференциальным сопротивлением стабилитрона:

rg =.

 

Рис. 1. Вольт - амперная характеристика (а) стабилитрона и его включение в схему параметрического стабилизатора (б)

Электрическая схема параметрического стабилитрона изображена на рис. 1,б. Сопротивление ограничительного резистора Rогр должно быть значительно больше дифференциального сопротивления стабилитрона rg. Чем больше отношение Rогр / rg, тем лучше стабилизация напряжения.

При правильном выборе типа стабилитрона и величины резистора Rогр напряжение на выходе параметрического стабилизатора остается практически постоянным как при изменении входного напряжения, так и при изменении сопротивления нагрузки. Рассмотрим процессы, протекающие в стабилизаторе.

Напряжения и токи в параметрическом стабилизаторе связаны между собой следующими соотношениями (рис. 1,б).

Uвх = I0×Rогр +Uвх ;

I0=Iст+Iн

При увеличении входного напряжения Uвх должно было бы увеличиться и выходное напряжение Uст. Однако даже незначительное увеличение Uст приводит к резкому увеличению тока стабилитрона (рис. 1,а). В результате увеличивается I0, увеличивается падение напряжения I0Rогр, что скомпенсирует увеличение Uвх,, а выходное напряжение остается почти постоянным. При уменьшении входного напряжения ток I0 уменьшается, падение напряжения I0Rогр уменьшается, что также скомпенсирует нестабильность Uвх.

Если напряжение источника (входное напряжение) нестабильно (изменяется от Umin lj Umax ) , а сопротивление нагрузки Rн постоянно, величину резистора Rогр рассчитывают для средней точки по формуле:

Rогр =,

где: Uср =0,5(Umin+Umax) - среднее значение входного напряжения;

Iср = 0,5(Imin+Imax) – средний ток стабилитрона;

Iн= Uст/ Rн – ток нагрузки.

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Uвх = const , а Rн изменяется в пределах от Rн min до Rн max. В качестве примера рассмотрим случай, когда Rн уменьшается. Тогда ток в неразветвленной цепи I0=Iст + Iн возрастает. При этом падение напряжения на ограничительном резисторе Rогр увеличивается, а на стабилитроне и нагрузке уменьшается. Уменьшение напряжения на стабилитроне вызовет уменьшение тока в нем, вследствие чего входной ток I0 и падение напряжения I0×Rогр также уменьшается, а напряжение на стабилизаторе и нагрузке установится прежним. Величину резистора Rогр можно определить по средним значениям токов по формуле

Rогр = ,

где: Iн ср = 0,5(Iн max+ Iн min),

причем

Iн min = , Iн = .

Приведенные формулы позволяют по электрическим параметрам и предельным эксплуатационным данным, представленным в справочниках, выбрать тип стабилитрона и рассчитать элементы параметрического стабилитрона.

Качество работы стабилизаторов напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации Кст, равным отношению относительного изменения входного напряжения к относительному отношению изменению напряжения на его выходе:

Kст = .

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора достигает 20…50.

Эксплуатационными параметрами стабилитрона являются: Uст – напряжение стабилизации, DUст. ном – разброс значения напряжения стабилизации, Iст min – минимально допустимый ток стабилизации, rg – дифференциальное сопротивление стабилитрона, aст – температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Литература: [1, ст. 42-65, 79-82], [2, стр. 34-48], [3], [4].

1.3. Порядок выполнения работы

Работа выполняется с помощью лабораторного модуля 2 «Исследование полупроводниковых стабилитронов».

1. Ознакомиться с принципиальной электрической схемой (рис.2) и расположением элементов регулировки на плате модуля.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема для исследования полупроводниковых стабилитронов

Входное напряжение изменяется с помощью потенциометра, контролируется вольтметром PV1. Ограничительное сопротивление изменяется с помощью потенциометра «Rогр». Исследуемый стабилитрон VD2 подключается к клеммам. Необходимо проверить соответствие полярности стабилитрона полярности напряжения, поступающего на вход. При исследовании на вход подается положительное напряжение. В рабочем режиме используется обратная ветвь ВАХ стабилитрона, поэтому к верхней клемме должен быть подключен отрицательный электрод.

Ток стабилитрона контролируется миллиамперметром PA1, а ток нагрузки – PA2. Нагрузка изменяется с помощью потенциометра R9.

2. Вывести потенциометр Uвх в левое крайнее положение (против часовой стрелки), потенциометры Rогр и Rн – в среднее положение. Установить диапазоны измерительных приборов: PV1 и PV2 – 200 В, РА1 и РА2 – 20 мА. В лабораторных стендах со стрелочными приборами установить следующие диапазоны: PV1 PV2 – 30 В, PA1 и РА2- 30 мА. Включить лабораторный стенд (нажать кнопку «Сеть» и источник напряжения «27В»

3. Проверить работоспособность стенда. При увеличении входного напряжения показатели всех приборов должны увеличиваться. Ток стабилитрона и нагрузки должны изменяться при изменении положения движка потенциометров Rогр и Rн. О замеченных отклонениях в работе стенда доложить руководителю лабораторных работ.

4. Снять обратную ветвь ВАХ стабилитрона. Для этого необходимо:

а) вывести потенциометры Rогр и Uвх в левое крайнее положение (Rогрmin), а потенциометр Rн в правое крайнее положение (Rнmax , Iн»0),

б) плавно увеличивать Uвх и, наблюдая за показаниями PV1 и PA2 , зафиксировать координаты точки А Uстmin и Imin (см. рис.1,а),

в) определить напряжение на стабилитроне (Uст ) в точках ВАХ Imax = 18 мА и Iст = 0,5 Imax. При увеличении следить за правильным выбором диапазона измерительных приборов. Они не должны зашкаливать!

г) перевести потенциометр Rогр в правое крайнее положение и повторить описанные выше измерения.

5. Свести результаты измерений в таблицу. Построить обратную ветвь ВАХ стабилитрона Iобр = f (Uст) и график зависимости Uст = f(Uвх) при двух значениях Rогр. Определить эти значения (Rогрmin и Rогрmax).

6. Снять зависимость тока стабилитрона, тока нагрузки и выходного напряжения Uст и от сопротивления нагрузки Rн. Для этого необходимо:

- установить потенциометры Rогр и Rн в правое крайнее положение (Rогрmax и Rнmax ),

- увеличить входное напряжение до величины, при которой ток через стабилитрон достигает значения Imax. Зафиксировать Uвх и поддерживать его постоянным,

- зафиксировать значения Uст, Iст, Iн при трех положениях потенциометра Rн (Rн min, Rнmax, и одно промежуточное),

- произвести такие измерения при минимальном значении ограничительного сопротивления (потенциометр Rогр в левом крайнем положении). Сравнить значения Uст при Rогрmin и Rогрmax.

7. Выключить источник питания «27В» и лабораторный стенд.

8. Результаты измерений свести в таблицы. Построить графики зависимостей: Uст = f(Uвх) и Iст = f(Uвх), Iн = f(Uвх), Uст = f(Rн), Iст = f(Rн), и Iн = f(Rн) при Rогрmax и Rогрmin. Первый, второй, третий и четвертый, пятый и шестой графики соответственно совмещаются.

9. Проанализировать полученные результаты, сделать выводы и оформить протокол отчета.

1.4. СОДЕЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

1. Цель лабораторной работы.

2. Электрические параметры, ВАХ и предельные эксплуатационные данные исследуемого типа стабилитронов (Д814А).

3. Обозначения и графическое изображение стабилитронов по стандарту.

4. Принципиальную электрическую схему для исследования стабилитронов.

5. Результаты экспериментальных исследований в виде таблиц и графиков.

6. Выводы, базирующиеся на анализе полученных результатов.

1.5. Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте виды пробоев полупроводниковых диодов.

2. При каких условиях возможен туннельный пробой?

3. Какая ветвь ВАХ является рабочей в стабилитронах и стабисторах? Почему?

4. Нарисуйте ВАХ стабилитрона и объясните принцип действия параметрического стабилизатора.

5. Как происходит стабилизация выходного напряжения при уменьшении входного?

6. Почему не изменяется напряжение на стабилитроне при увеличении тока нагрузки?

7. Как выбирается величина ограничительного резистора в параметрическом стабилизаторе?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов ж.-д. транспорта. М.:Транспорт.1999.

2. П. основы электроники. 5-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Н. промышленная электроника: Учеб. для вузов под ред. В. А. Лабунцева.- М.: Энергоатомиздат, 1988.

Основные порталы (построено редакторами)

Домашний очаг Дом • Дача • Садоводство • Дети • Активность ребенка • Игры • Красота • Женщины • (Беременность) • Семья • Хобби Здоровье: • Анатомия • Болезни • Вредные привычки • Диагностика • Народная медицина • Первая помощь • Питание • Фармацевтика История: СССР • История России • Российская Империя Окружающий мир: Животный мир • Домашние животные • Насекомые • Растения • Природа • Катаклизмы • Космос • Климат • Стихийные бедствия Справочная информация Документы • Законы • Извещения • Утверждения документов • Договора • Запросы предложений • Технические задания • Планы развития • Документоведение • Аналитика • Мероприятия • Конкурсы • Итоги • Администрации городов • Приказы • Контракты • Выполнение работ • Протоколы рассмотрения заявок • Аукционы • Проекты • Протоколы • Бюджетные организации Муниципалитеты • Районы • Образования • Программы Отчеты: • по упоминаниям • Документная база • Ценные бумаги Положения: • Финансовые документы Постановления: • Рубрикатор по темам • Финансы • города Российской Федерации • регионы • по точным датам Регламенты Термины: • Научная терминология • Финансовая • Экономическая Время: • Даты • 2015 год • 2016 год Документы в финансовой сфере • в инвестиционной • Финансовые документы - программы

Техника Авиация • Авто • Вычислительная техника • Оборудование • (Электрооборудование) • Радио • Технологии • (Аудио-видео) • (Компьютеры) Общество Безопасность • Гражданские права и свободы • Искусство • (Музыка) • Культура • (Этика) • Мировые имена • Политика • (Геополитика) • (Идеологические конфликты) • Власть • Заговоры и перевороты • Гражданская позиция • Миграция • Религии и верования • (Конфессии) • Христианство • Мифология • Развлечения • Масс Медиа • Спорт (Боевые искусства) • Транспорт • Туризм Войны и конфликты: Армия • Военная техника • Звания и награды Образование и наука Наука: Контрольные работы • Научно-технический прогресс • Педагогика • Рабочие программы • Факультеты • Методические рекомендации • Школа • Профессиональное образование • Мотивация учащихся Предметы: Биология • География • Геология • История • Литература • Литературные жанры • Литературные герои • Математика • Медицина • Музыка • Право • Жилищное право • Земельное право • Уголовное право • Кодексы • Психология (Логика) • Русский язык • Социология • Физика • Филология • Философия • Химия • Юриспруденция

Мир Регионы: Азия • Америка • Африка • Европа • Прибалтика • Европейская политика • Океания • Города мира Россия: • Москва • Кавказ • Регионы России • Программы регионов • Экономика Бизнес и финансы Бизнес: • Банки • Богатство и благосостояние • Коррупция • (Преступность) • Маркетинг • Менеджмент • Инвестиции • Ценные бумаги: • Управление • Открытые акционерные общества • Проекты • Документы • Ценные бумаги - контроль • Ценные бумаги - оценки • Облигации • Долги • Валюта • Недвижимость • (Аренда) • Профессии • Работа • Торговля • Услуги • Финансы • Страхование • Бюджет • Финансовые услуги • Кредиты • Компании • Государственные предприятия • Экономика • Макроэкономика • Микроэкономика • Налоги • Аудит Промышленность: • Металлургия • Нефть • Сельское хозяйство • Энергетика Строительство • Архитектура • Интерьер • Полы и перекрытия • Процесс строительства • Строительные материалы • Теплоизоляция • Экстерьер • Организация и управление производством