Лабораторно-практическая работа № 2
По предмету «Электроника и импульсная техника»
Тема: «Исследование полупроводниковых диодов»
Цель:
- научиться применять знания, полученные при изучении дисциплины;
- приобрести навыки сборки лабораторных схем для изучения режимов работы диодов с последующим расчетом, анализом и экспериментальным определением параметров;
- воспитать у студентов целеустремленность при изучении учебного материала в течение всего учебного года.
Оборудование: методические и справочные материалы, индивидуальное задание.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Лабораторно-практическая работа предназначена для усвоения (закрепления) материала теоретических занятий, развития практических умений.
Выполнение практической работы включает этапы: изучение исходных данных; выполнение работы; оформление материалов; защита работы.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Выпрямительные диоды имеют одностороннюю проводимость тока за счет применения полупроводниковой структуры с двумя слоями. Один обладает дырочной p электропроводностью (основные носители заряда дырки), а другой — электронной n (основные носители заряда электроны) электропроводностью.
На участке раздела p и n -слоев, образуется электронно-дырочный переход (p - п переход). Это область, обедненная носителями зарядов. На ее границах появляется контактная разница потенциалов. Внешнее напряжение, в зависимости от полярности, может или открыть переход, или увеличить разницу потенциалов, препятствуя прохождению основных носителей зарядов.
Выпрямительные свойства полупроводникового диода и его вольтамперная характеристика связаны с процессами в p - п переходе при подключении внешнего напряжения.
Вольтамперная характеристика полупроводникового диода приведена на рис. 1, а.
Рис. 1 Полупроводниковый диод: вольтамперная характеристика - а; б – обозначение
Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда.
Концентрация основных носителей заряда многократно превышает концентрацию неосновных носителей. Этим объясняются выпрямительные свойства диода.
Диод открывается, если на анод (А) подать положительное напряжение, или на катод (К) – отрицательное. В электрических схемах обозначение «А», «К» не применяется.
При больших обратных напряжениях увеличивается термогенерация носителей в p-n переходе, возрастает обратный ток, что ведет к повышению температуры и тепловому пробою перехода.
Процесс развивается лавинообразно, т.к. повышение температуры еще больше увеличивает обратный ток.
Прямой и обратный токи через диод можно определить из выражений:
 |  |  |  | ||||
где: U – напряжение источника питания;
U ПР – напряжение на диоде в прямом направлении;
U ОБР – напряжение на диоде в обратном направлении.
ИНСТРУКЦИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
1.Изучение схем и измерение их параметров и характеристик производится с помощью программы Electronics Workbench. Дополнительная информация приводится в справочном файле к работе.
2. Выполнение заданий:
Задание 1. Измерить значения U ПР и I ПР диода, таблица 1 (L5 _ d _01. ewb, L5 _ d _02. ewb).
Таблица 1
| Обратить внимание на настройку мультиметра с помощью кнопок на его лицевой панели: тип измеряемой величины (напряжение или ток), род тока (постоянный или переменный). | U ПР,В | I ПР,мА |
| 772.1 | 92.33 |
Задание 2. Определить прямую ветвь ВАХ диода 1 N 4001 методом амперметра – вольтметра (L5 _ d _03. ewb, схема a). Для этого изменять напряжение питания, результаты занести в таблицу 2.
Измерение прямой ветви ВАХ Таблица 2
| № | Напряжение питания, (B) | Напряжение на диоде, U ПР(mB) | Ток через диод, I ПР(mA) |
| 0.4 | 399.5 | 0.000473 | |
| 0.8 | 603.8 | 0.196 | |
| 1.2 | 631.4 | 0.568 | |
| 1.6 | 644.9 | 0.955 | |
| 653.8 | 1.346 | ||
| 677.2 | 3.323 | ||
| 689.4 | 5.311 | ||
| 697.8 | 7.302 |
Задание 3. Определить обратную ветвь ВАХ для диода методом амперметра – вольтметра (L5 _ d _03. ewb, схема b), результаты занести в таблицу 3.
Измерение обратной ветви ВАХ Таблица 3
| № | Напряжение питания, U (B) | Напряжение на диоде, U ОБР(mB) | Ток через диод, I ОБР(mA) |
| 4.995 | 5.000 | ||
| 9.99 | 10.00 | ||
| 14.98 | 15.00 |
Задание 4. Вычислить по экспериментальной характеристике (табл.2) прямое сопротивление диода R ПР, принапряжении питания 4В. Вычислить по экспериментальной характеристике (табл.3) обратное сопротивление диода R ОБР, принапряжении питания 15В. Результаты занести в табл.4. Диод является нелинейным элементом, поэтому сопротивления диода по постоянному току в разных точках ВАХ имеют неодинаковые значения.
| Результаты расчетов сопротивлений диода Таблица 4 | |
| Прямое сопротивление диода R ПР, Ом | Обратное сопротивление диода R ОБР, Ом |
| 668.0 | 13.99 |
Задание 5. Определить подробно начальную часть ВАХ диода с помощью осциллографа, цена деления по U: 200 мВ; по I: 100 мА (L5 _ d _04. ewb). Используя данные таблиц 2, 3, дорисовать ВАХ для больших значений U, I. Масштаб величин прямой и обратной ветвей выбрать разным.
Задание 6. Рассмотретьсхемы включения диода, объяснить, почему напряжение питания и нагрузки не совпадают при открытом и закрытом диодах (L5 _ d _05. ewb,..., L5 _ d _07. ewb).
Задание 7. Рассмотреть примеры использования светодиода и светодиодных индикаторов (файлы L5 _ ld _01. ewb,..., L5 _ ld _02. ewb).