Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе
Лабораторный Практикум
по дисциплине
«Автоматика»
для студентов инженерного факультета специальностей
110302 « Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»,
110303 – «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции»,
110304 – «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК»
Мичуринск 2008г.
УДК 631.171
Рецензент:
к.т.н., доцент кафедры «Механизация переработки и хранения сельскохозяйственной продукции» С.Д. Алехин
Утверждено на заседании кафедры ЭАСХ
Протокол №___ от «__» ________2008 г.
Лабораторный практикум. Автоматика / авт. сост. А.С. Гордеев, А.В. Вылгин. – Мичуринск: МичГАУ, 2008. - 62с.
©Издательство Мичуринского государственного университета, 2008
СОДЕРЖАНИЕ
Общие сведения..……………………………………………………………...4
Лабораторная работа №1 Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе……………………………………………….
Лабораторная работа №2 Исследование характеристик биполярного транзистора……………………………………………………………………….
Лабораторная работа №3 Исследование схем на основе операционного усилителя………………………………………………………………………….
Лабораторная работа №4 Исследование характеристик аналоговых компараторов напряжения………………………………………………………
Лабораторная работа №5 Исследование цифровых систем…………………..
Литература…………………………………………………………………….
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
Лабораторные работы являются одним из видов практического обучения. Они позволяют приобрести студентам основные навыки в сборке электрических схем и закрепить знания, полученные в процессе изучения теории. Для качественного и своевременного выполнения лабораторных работ, каждый студент должен:
- в отчете записать номер, название и цель лабораторной работы;
- ознакомиться с описанием и порядком выполнения лабораторной работы;
- изучить теоретический материал, относящийся к лабораторной работе по конспекту и литературе;
- подготовить рабочие схемы;
- письменно ответить на контрольные вопросы.
ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Допущенный к лабораторной работе студент знакомится с рабочим местом, наличием и расположением элементов лабораторного стенда, техническими характеристиками основных аппаратов, их паспортными данными. После этого студенты собирают электрическую цепь и предъявляют ее для проверки преподавателю.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ
При выполнении лабораторных работ следует соблюдать общие правила техники безопасности, изложенные в инструкции, имеющейся в лаборатории. Кроме того, при выполнении лабораторных работ необходимо учитывать особенности питания лаборатории. Лаборатория питается от сети 220 В с изолированной нейтралью, то есть нулевой проводник отсутствует и при выполнении лабораторных работ линейное напряжение равно 220 В.
Основные правила по технике безопасности при выполнении лабораторных работ в лаборатории:
1.3.1. Студенты допускаются к занятиям в лаборатории после проведения с ними инструктажа по технике безопасности с обязательной росписью в журнале инструктажа по технике безопасности. Перед выполнением каждой работы проводится инструктаж на рабочем месте с учетом особенностей данной работы.
1.3.2. Перед началом сборки электрической цепи следует убедиться в том, что автоматический выключатель, питающий лабораторный стенд выключен.
1.3.3. При выполнении лабораторных работ с использованием электрооборудования, имеющего движущиеся части, нельзя приближаться к этим частям во время включения лабораторного стенда.
1.3.4. При использовании в лабораторных работах трансформаторов тока необходимо следить за надежностью крепления проводов во вторичных цепях, так как работа трансформаторов тока без нагрузки во вторичной цепи недопустима.
1.3.5. Собранная электрическая цепь должна быть проверена преподавателем и может включаться только по его разрешению.
1.3.6. Перед включением электрической цепи необходимо убедиться в том, что никто не прикасается к оголенным токоведущим частям.
1.3.7. Перед разборкой схемы, после ее проверки необходимо убедиться в том, что автоматический выключатель, питающий лабораторный стенд, отключен.
СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО СДАЧА
Отчет по лабораторной работе является документом о проделанной работе. Отчет должен содержать номер и название лабораторной работы, ее цель, краткие теоретические сведения, схемы электрических цепей. Отчет составляется каждым студентом самостоятельно.
При оформлении отчета обязательно следует соблюдать требования ЕСКД. Схемы выполняются с применением чертежных инструментов. При составлении схем должны соблюдаться стандартные условно-графические и позиционные обозначения соответствующие ГОСТ.
После выполнения лабораторной работы и подготовки отчета, проводиться его сдача. Студенты должны знать ответы на контрольные вопросы, уметь пояснить принцип работы лабораторной установки по схемам.
Сдача отчета по лабораторной работе проводиться в определенное преподавателем время.
Лабораторная работа №1
Исследование характеристик полупроводниковых диодов и устройств на их основе
1. Цель работы
Целью работы является:
• исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода;
• исследование работы полупроводниковых выпрямителей.
2. Сведения, необходимые для выполнения работы
Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:
• устройство, назначение и основные характеристики выпрямительных и специальных полупроводниковых диодов;
• ВАХ полупроводниковых приборов;
• схемы включения полупроводниковых диодов;
• принципы построения схем и особенности работы диодных выпрямителей.
Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода и один (или несколько) p-n-переходов, называется диодом.
Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-переходов, например явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д.
Выпрямительный диод
Выпрямительные полупроводниковые диоды изготавливаются, как правило, из кремния, германия или арсенида галлия. Классифицировать выпрямительные полупроводниковые диоды можно по конструкции и технологии изготовления. В зависимости от конструкции такие диоды делятся на плоскостные и точечные, а в зависимости от технологии изготовления - на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.
Плоскостные диоды имеют большую площадь p-n-перехода и используются для выпрямления больших токов (до 30 А). Точечные диоды имеют малую площадь p-n-перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов (до 30 мА).
Обычно выпрямительный полупроводниковый диод нормально работает при напряжениях, лежащих в диапазоне до 1000 В. При необходимости увеличения выпрямляемого напряжения используются выпрямительные столбы, состоящие из ряда последовательно включенных полупроводниковых диодов, в этом случае выпрямляемое напряжение удается повысить вплоть до 15 000 В.
Предназначенные для выпрямления больших токов выпрямительные полупроводниковые диоды большой мощности называют силовыми. Они позволяют выпрямлять токи силой вплоть до 30 А. Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид галлия, поскольку германий характеризуется сильной зависимостью обратного тока через p-n-переход от температуры.
Сплавные диоды чаще всего используются для выпрямления переменного тока с частотой до 5 кГц и изготавливаются из кремния. Кремниевые диффузионные диоды могут работать на повышенной частоте, до 100 кГц. Кремниевые эпитаксиальные диоды с металлической подложкой (с барьером Шоттки) могут использоваться на частотах до 500 кГц. Наилучшими частотными характеристиками обладают арсенидгаллиевые выпрямительные диоды, способные работать в диапазоне частот до нескольких мегагерц.
Основные характеристики полупроводникового диода можно получить, анализируя его ВАХ. При исследовании ВАХ следует принимать во внимание, что зависимость тока I через p-n-переход от падения напряжения U на переходе описывается уравнением Эберса-Молла:
, (1.1)
где Is - обратный ток насыщения диода, а φТ - тепловой потенциал.
Поскольку для полупроводниковых материалов при Т = 300 К тепловой потенциал φТ= 25 мВ, то уже при U = 0,1 В можно пользоваться упрощенной формулой:
(1.2)
Важным параметром, характеризующим свойства диода, является дифференциальное сопротивление p-n-перехода, равное отношению приращения падения напряжения на диоде к приращению тока через диод:
(1.3)
Дифференциальное сопротивление можно вычислить, используя выражения (1.2) и (1.3), а именно:
или
При протекании большого тока (в зависимости от типа диода этот ток может быть от единиц до десятков миллиампер) через p-n-переход в объеме полупроводника падает значительное напряжение, пренебрегать которым нельзя. В этом случае уравнение Эберса-Молла приобретает вид:
(1.5)
где R - сопротивление объема полупроводникового кристалла, которое называют последовательным сопротивлением.
На рисунке 1.1а приведено условное графическое обозначение полупроводникового диода на электрических схемах, его структура - на рисунке 1.1б. Электрод диода, подключенный к области р,называют анодом, а электрод, подключенный к области n, -катодом. Статическая вольтамперная характеристика диода показана на рисунок 1.1в.
Рисунок 1.1 - Условное обозначение (а), структура (б) и статическая вольтамперная характеристика (в) полупроводникового диода
Стабилитрон
Стабилитрон - это полупроводниковый диод, p-n-переход которого работает в режиме лавинного пробоя. Такой режим возникает при смещении р-п-перехода в обратном направлении. В режиме лавинного пробоя в широком диапазоне изменения тока через диод падение напряжения на нем остается практически неизменным. На рисунке 1.2 (а, б) показано схематическое изображение стабилитронов, а на рисунке 1.2в приведена типовая ВАХ.
Рисунок - 1.2 Схематическое изображение стабилитронов
(а - односторонний, б - двухсторонний) и их ВАХ (в) UCT - напряжение стабилизации
Лавинный ток для типового маломощного кремниевого стабилитрона составляет примерно 10 мА, поэтому для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают ограничительное сопротивление RB (рисунок 1.3а). Если лавинный ток таков, что мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает предельно допустимого значения, то в таком режиме прибор может работать неограниченно долго. Для большинства стабилитронов предельно допустимая рассеиваемая мощность составляет от 100 мВт до 8 Вт.
Рисунок 1.3 Схема включения стабилитрона (а) и стабистора (б)
Rб- балластный резистор, Uвx - входное напряжение,
Ucт - стабилизированное напряжение
Иногда для стабилизации напряжения используют тот факт, что прямое падение напряжения на диоде слабо зависит от силы протекающего через p-n-переход тока. Приборы, в которых используется этот эффект, в отличие от стабилитронов называются стабисторами. В области прямого смещения падение напряжения на р-п-переходе составляет, как правило, 0,7 - 2В, поэтому стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также включают сопротивление RB (рисунок 1.3б).
Рисунок 1.4 - Линеаризованная характеристика стабилитрона
Дифференциальное сопротивление стабилитрона - это параметр, который характеризует наклон его вольтамперной характеристики в области пробоя:
(1.6)
На рисунок 1.4 показан линеаризованный участок ВАХ стабилитрона, который позволяет определить дифференциальное сопротивление прибора.