Порядок выполнения работы. 1.Собрать схему по рис.40.

 

1.Собрать схему по рис.40.

 

 

Рис. 40 Схема измерения для однополупериодной схемы выпрямления

 

Произвести измерения тока и напряжения. Данные занести в табл.14. Наблюдать по осциллографу кривую напряжения и кривую тока.

Таблица 14

Схема по п.	Измеренные и вычисленные параметры
U1	I1	U0	I3	Кв	Кп	f
	Um1	Uд1	Iд	Uд0	Uс.в0	Iд	Iс.в.	Uд0/ Uд1	Um/ Uд0

 

2. По осциллографу наблюдать форму выпрямленного тока (амперметр А₃) и напряжения источника питания (вольтметр V₁₎. Определить частоту выпрямленного тока.

3. Вычислить коэффициент пульсаций К_п и коэффициент выпрямления К_в. Полученные значения занести в табл.14.

4. Собрать схему по рис.41 и повторить действия по пп.1,2,3. Измеренные и вычисленные данные занести в табл.14.

 

 

Рис.41.Схема измерения для двухполупериодной схемы выпрямления

5. Собрать схему по рис.42 и повторить действия по пп.1,2,3. Измеренные и вычисленные данные занести в табл.14.

 

 

Рис.42. Схема измерения для трёхфазной схемы выпрямления

5. Собрать схему по рис.43 и повторить действия по пп.1,2,3. Измеренные и вычисленные данные занести в табл.14.

 

Рис.43. Схема измерения для трёхфазной мостовой схемы выпрямления

 

Контрольные вопросы

1. Зависит ли частота пульсаций выпрямленного тока от частоты питающего напряжения?
2. Как зависит частота пульсаций выпрямленного тока от схемы выпрямителя?
3. Чем отличается действующее значение тока от средневыпрямленного?
4. Какие схемы выпрямления использовались в настоящей работе?

 

Работа № 9. Исследование полупроводниковых диодов

Цель работы - изучение принципа действия и снятие статических характеристик полупроводниковых диодов.

 

Программа работы

1. Снятие вольтамперных характеристик диода в прямом и обратном направлениях.
2. Снятие вольтамперной характеристики стабилитрона.
3. Снятие характеристики оптоэлектронной пары.
4. Снятие вольтамперной характеристики светодиода.

 

Общие положения

Полупроводниковый диод – двухэлектродный прибор, принцип действия которого основан на использовании явлений, возникающих между частями монокристалла полупроводника с проводимостями p- и n-типа. Слой, образующийся на границе двух областей полупроводника, обладающих противоположными типами электропроводимости – дырочной p и электронной n, называют электронно-дырочным переходом (ЭДП) или p-n переходом.

Образование контактной разности потенциалов обедняет области p и n ЭДП основными носителями заряда. Это повышает электрическое сопротивление ЭДП. Поэтому область ЭДП называют запирающим слоем. Его толщина – микроны- десятки микрон. ЭДП возникает не только на границе двух полупроводников с разной проводимостью, но и при контакте полупроводника с металлом.

Полупроводниковые диоды широко применяются в устройствах, работающих в непрерывных и импульсных режимах, и делятся по назначению на выпрямительные диоды (в том числе универсальные диоды, работающие в широком диапазоне частот), импульсные, СВЧ диоды, варикапы, стабисторы и стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные и др.

Выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока низкой (до 50 кГц) частоты. Выпускают германиевые, кремниевые, титановые и др. диоды.

 

Зависимость тока через ЭДП от внешнего напряжения или вольтамперная характеристика (ВАХ ЭДП):

где: I_S – неуправляемый тепловой (обратный) ток или ток насыщения. Он обусловлен неосновными носителями заряда (дырками из n -области, электронами из p -области);

e = 2,718…– основание натурального логарифма;

q= 1,602…· 10^-23 Кл – заряд электрона;

U – внешняя разность потенциалов, приложенная непосредственно к ЭДП (напряжение на электродах диода за вычетом падения напряжения на p - и n -слоях монокристалла);

K=1,380662·10^-23 Кл·В/К – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура, К.

Положительным внешнее напряжение считают в том случае, когда плюс приложен к p -области. При этом протекает прямой ток – ток из p -слоя в n -слой. Если к ЭДП приложено положительное напряжение, то говорят, что диод «смещён в прямом направлении». Напряжение противоположной полярности называют «обратным».

На рис.44 показаны структура диода, его условное изображение и график ВАХ ЭДП.

 

 

Рис.44. Структура диода, его условное изображение и график ВАХ ЭДП

 

В создании прямого тока участвуют основные носители: дырки из p -слоя «перетекают» (инжектируются) в n -слой, а электроны из n -слоя инжектируются в p -слой.

Основные параметры выпрямительных диодов

1) Средний прямой ток I_пр.ср – среднее за период переменного напряжения значение прямого тока через диод. Уменьшается с увеличением температуры корпуса и частоты следования тока.

2) Постоянное прямое напряжение U_пр – постоянное значение прямого напряжения, обусловленное постоянным прямым током.

3) Постоянный обратный ток I_обр – обусловлен постоянным обратным напряжением.

4) Максимально допустимое постоянное обратное напряжение U _обр.max.

5) Максимально допустимая частота f_max – наибольшая частота подводимого напряжения и импульсов тока, при которых обеспечивается надежная работа диода.

6) Импульсный прямой ток I_пр.и – наибольшее мгновенное значение прямого тока, исключая повторяющиеся переходные токи.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения.

Как видно из рис.45, в области электрического пробоя напряжение на стабилитроне U_ст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I_ст.

 

 

Рис.45.Схема включения и ВАХ стабилитрона

Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации U_ст (1 – 1000 В); динамическое сопротивление на участке стабилизации R_д=d U_ст /d I_ст (0,5 – 200 Ом); минимальный ток стабилизации I_{ст min} (1 – 10 мА); максимальный ток стабилизации I_{ст max} (50 - 2000 мА); температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации (от –0,05 до +0,2 %/°С) U= (d U_ст /d Т)×100.

 

Оптоэлектронные приборы

Это группа полупроводниковых приборов, действие которых основано на использовании явлений излучения, передачи или поглощения в видимой части спектра, инфракрасной и (или) ультрафиолетовой областях спектра. Светоизлучающие диоды (светодиоды) - это полупроводниковые диоды с одним электронно-дырочным переходом, в котором осуществляется непосредственное преобразование энергии электрического поля в оптическое излучение вследствие рекомбинации электронов и дырок. Используются светодиоды чаще всего в устройствах визуального представления информации.

Светодиоды характеризуют спектральным составом излучения, мощностью излучения и коэффициентом полезного действия. Основными характеристиками светодиодов являются яркостная или ватт-амперная характеристика, прямой ток, прямое и обратное напряжение.

Светодиоды включают по схеме, приведенной на рис.46:

 

Рис.46.Схема включения светодиода

 

Светодиоды нуждаются в источнике питания с большим внутренним сопротивлением, для чего последовательно с источником питания включают резистор. Это уменьшает наклон яркостных характеристик, а проходящий через светодиод ток меньше зависит от напряжения питания.

Ватт-амерные характеристики различных светоди одов представлены на рис.47.

 

 

	а) вольтамперная характеристика
		б) световая характеристика

 

Рис.47. Ватт-амперные характеристики светодиодов

Низкие напряжения и малые токи позволяют применять светодиоды в низковольтных транзисторных устройствах (индикации, фотопамяти и др.).

Инерционность светодиодов не превышает 10^-6…10^-8 с, поэтому их используют в импульсных режимах на частотах до 100 МГц.

Фотодиоды

Фотодиоды – это полупроводниковые приборы p-n-типа, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте. При освещении в p-n-переходе возникает фотоэлектрический эффект. В результате неравновесной концентрации носителей зарядов, в p- и n-областях появляются электроны и дырки. Электронно-дырочные пары движутся к p-n-переходу, где разделяются и под действием контактной разности потенциалов неосновные носители зарядов проходят через p-n-переход, образуя фототок (вентильный режим фотодиода или режим фотогенератора: рис. 48, б).

Рис. 48. Изображения фотодиода и схемы их включения

 

Если к n-области подсоединить плюс источника, а к p-области – минуc, то и при отсутствии освещения ЭДП через фотодиод будет проходить малый темновой ток. Обратный ток возрастает при освещении. Это так называемый фотодиодный режим, схема включения которого показана на рис. 48,в.

Фотодиоды характеризуются напряжением питания U_п(порядка 10..30 В), темновым током I_т (от 1 до 25 мкА).

При отсутствии освещенности через фотодиод протекает темновой ток I_т, а при освещении - световой ток I_c.

Фотодиоды предназначены для работы в видимой области спектра (3..7,5)×10^-7 м, а также в области инфракрасных волн.

Германиевые фотодиоды широко применяют в качестве индикаторов инфракрасного излучения. Кремниевые – в качестве фотоэлементов для преобразования энергии из световой в электрическую, а селеновые – для фотоэкспонометров и светотехнических измерений, так как их спектральная характеристика близка к спектральной характеристике человеческого глаза.

Фотодиоды характеризуется:

- темновым R_т и световым R_с сопротивлениями;

- кратностью изменения сопротивления при освещении R_с/R_т;

- удельной чувствительностью K₀=I_ф/(Ф×U), которая характеризует фототок I_ф, проходящий через фотодиод при освещении его световым потоком Ф=1 миллилюмен при напряжении 1 В;

- спектральной чувствительностью.

Полоса пропускания быстродействующих кремниевых фотодиодов лежит в пределах 10⁸…10⁹ Гц.

 

Оптроны

Оптрон состоит из светоизлучателя (светодиода) и приёмника излучения (светочувствительного детектора, фотодиода, фоторезистора или фототиристора), связанных оптической средой и конструктивно объединённых в одном корпусе.

Диодные оптроны используются, как правило, для гальванической развязки отдельных входов в комплексных системах автоматики.

Оптроны характеризуются четырьмя группами параметров.

1. Входные параметры: входное напряжение U_вх – прямое на входе оптрона при заданном прямом токе; максимальное допустимое обратное входное напряжение U_{вх.обр.мах}, которое допускается подавать на вход оптрона; номинальный входной ток I_вх.н; максимально допустимый входной ток I_вх.max – постоянный, прямой, который разрешается пропускать через вход оптрона.

2. Выходные параметры: максимально допустимое обратное входное напряжение U_{вх.обр.mах}, которое разрешается прикладывать к выходу оптрона; максимально допустимый выходной ток I_вых.max, который разрешается пропускать через фотоприемник при включенном оптроне; световое сопротивление R_c – сопротивление фоторезистора при заданном токе на входе оптрона, темновое сопротивление R_т – сопротивление фоторезистора при входном токе, равном нулю; остаточное напряжение U_ост – прямое на выходе оптрона в открытом состоянии; выходная ёмкость C_вых.

3. Передаточные параметры: статический коэффициент передачи тока K_i – отношение токов на выходе и входе оптрона; ёмкость связи C_c между входом и выходом оптрона.

4. Параметры гальванической развязки: максимально допустимое пиковое напряжение между выходами входа и выхода U_{раз.п.max}; максимально допустимое напряжение между выводами входа и выхода U_раз.max; сопротивление гальванической развязки R_раз между выводами входа и выхода оптрона.

Условные обозначения некоторых оптронов приведены на рис.49.

 

 

 

Рис.49. Условные обозначения оптронов