Полупроводниковые диоды
Цель лабораторной работы:
1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р – n перехода;
2. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике;
3. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода при разных температурах;
4. Исследование дифференциального сопротивления диода;
5. Измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики.
Приборы и элементы:
1. Функциональный генератор;
2. Мультиметр;
3. Осциллограф;
4. Источник постоянного напряжения;
5. Диод 1N4009;
6. Резисторы.
Краткие сведения из теории
Одним из достоинств программы схемотехнического моделирования Electronics Workbench является возможность смоделировать ситуации, возникающие при самых различных уровнях приборной оснащенности исследователя, и освоить методики измерения, соответствующие этим уровням.
Рассмотрим эти ситуации на примере измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Исследователь может иметь всего лишь один универсальный прибор - мультиметр (который мы привыкли называть тестером), но и в этом случае можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника.
Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме
рис. 1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения:
I ПР = (Е – UПР)/R, (1)
где I ПР - ток диода в прямом направлении,
Е - напряжение источника питания,
UПР - напряжение на диоде в прямом направлении.
Рис. 1. Схема для измерения прямого напряжения на диоде.
Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении:
I ОБ = (Е – UОБ)/R, (2)
где IОБ - ток диода в обратном направлении,
UOБ - напряжение на диоде в обратном направлении.
Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если требуется получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение в схеме рис. 1, а затем ток в схеме рис. 2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его как вольтметр, а затем, как амперметр.
Рис. 2. Схема для измерения прямого тока на диоде.
Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если имеется и вольтметр и амперметр. Тогда, включив их по схеме рис. 3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов. Вольтамперная характеристика (ВАХ) может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания Vs.
Рис. 3. Схема для снятия ВАХ диода.
И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рис. 4). При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной - току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I = U/R = U/1 = U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) - по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.
Рис. 4. Схема для снятия ВАХ с помощью осциллографа.
При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе 1 Ом. Ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде.
Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.
На рис. 5 представлена электрическая схема для измерения дифференциального сопротивления диода R ДИФ. Для вычисления R ДИФ следует пользоваться формулой:
R ДИФ = U 2* R 2/( U 3- U 2) (3)
Рис.5. Схема для измерения дифференциального сопротивления диода.
Прямое падение напряжения на диоде существенно зависит от температуры окружающей среды. С ростом температуры напряжения уменьшается и имеет линейный характер.
Отчет
Отчет должен содержать в себе цель лабораторной работы и заполненные страницы 9 – 11 из методического руководства.
Титульный лист лабораторной работы должен соответствовать образцу, приведенному в конце методического руководства.
Результаты экспериментов
Эксперимент 1.
Эксперимент 2.
Измерение тока.
Ток при прямом и обратном смещении:
Ток при прямом смещении, I ПР _______
Ток при обратном смещении, I ОБ _______
Эксперимент 3.
Эксперимент 4.
Эксперимент 5.
Вопросы
1. Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?
2. Сравнимы ли измеренные значения тока при прямом смещении с вычисленными значениями?
3. Сравнимы ли измеренные значения тока при обратном смещении с вычисленными значениями?
4. Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?
5. Что такое ток насыщения диода?
6. Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивления диода при измерении их мультиметром в режиме омметра? Можно ли по этим измерениям судить об исправности диода?
7. Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе?
8. Совпадают ли точки изгиба ВАХ, полученные с помощью осциллографа и построенные по результатам вычислений?
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
АНГАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра промышленной электроники и информационно-измерительной техники
Лабораторная работа №1
Исследование полупроводникового диода с помощью программы схемотехнического моделирования Electronics Workbench
Отчет
| Выполнил студент: | _____________________ фамилия |
| Группа: | _____________________ |
| Дата | ___________________ |
| Проверил: | ___________________ фамилия |
| Дата | _____________________ |
Ангарск 2017
Полупроводниковые диоды
Цель лабораторной работы:
1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р – n перехода;
2. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике;
3. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода при разных температурах;
4. Исследование дифференциального сопротивления диода;
5. Измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики.
Приборы и элементы:
1. Функциональный генератор;
2. Мультиметр;
3. Осциллограф;
4. Источник постоянного напряжения;
5. Диод 1N4009;
6. Резисторы.
Краткие сведения из теории
Одним из достоинств программы схемотехнического моделирования Electronics Workbench является возможность смоделировать ситуации, возникающие при самых различных уровнях приборной оснащенности исследователя, и освоить методики измерения, соответствующие этим уровням.
Рассмотрим эти ситуации на примере измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Исследователь может иметь всего лишь один универсальный прибор - мультиметр (который мы привыкли называть тестером), но и в этом случае можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника.
Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме
рис. 1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения:
I ПР = (Е – UПР)/R, (1)
где I ПР - ток диода в прямом направлении,
Е - напряжение источника питания,
UПР - напряжение на диоде в прямом направлении.
Рис. 1. Схема для измерения прямого напряжения на диоде.
Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении:
I ОБ = (Е – UОБ)/R, (2)
где IОБ - ток диода в обратном направлении,
UOБ - напряжение на диоде в обратном направлении.
Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если требуется получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение в схеме рис. 1, а затем ток в схеме рис. 2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его как вольтметр, а затем, как амперметр.
Рис. 2. Схема для измерения прямого тока на диоде.
Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если имеется и вольтметр и амперметр. Тогда, включив их по схеме рис. 3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов. Вольтамперная характеристика (ВАХ) может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания Vs.
Рис. 3. Схема для снятия ВАХ диода.
И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рис. 4). При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной - току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I = U/R = U/1 = U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) - по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.
Рис. 4. Схема для снятия ВАХ с помощью осциллографа.
При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе 1 Ом. Ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде.
Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. В ряде применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.
На рис. 5 представлена электрическая схема для измерения дифференциального сопротивления диода R ДИФ. Для вычисления R ДИФ следует пользоваться формулой:
R ДИФ = U 2* R 2/( U 3- U 2) (3)
Рис.5. Схема для измерения дифференциального сопротивления диода.
Прямое падение напряжения на диоде существенно зависит от температуры окружающей среды. С ростом температуры напряжения уменьшается и имеет линейный характер.
Порядок проведения экспериментов
Дата: 2019-12-10, просмотров: 260.
