Поиск по сайту

9.1. Полупроводниковые диоды

Эксперименты

Цель 1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р-п перехода. 2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода. 3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике. 4. Анализ сопротивления диода (прямое и обратное смещение) на переменном и постоянном токе. 5. Измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики.

9-11.jpg

Краткие сведения из теории Одним из достоинств Elecrtronics 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. Начинающий радиолюбитель может иметь всего лишь один универсальный прибор - муль-тиметр (который мы привыкли называть тестером), но и в этом случае можно снять вольтам-перную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника. Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме рис. 9.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения: 1пр = (Е - Unp)/R, (9.1) где1пр - ток диода в прямом направлении, Е - напряжение источника питания, Unp - напряжение на диоде в прямом направлении. Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 9.1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении 1ов = (Е - Uоб)/R,(9.2) где Iов - ток диода в обратном направлении, UOB - напряжение на диоде в обратном направлении.

Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если Вы хотите получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение в схеме рис. 9.1, а затем ток в схеме рис. 9.2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр. Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если у Вас имеется и вольтметр и амперметр. Тогда, включив их по схеме рис. 9.3, 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. И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рис. 9.4). 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.

9-12.jpg

9-13.jpg

9-14.jpg 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. Для более точного измерения напряжения можно измерять ток с помощью датчика тока (см. приложение 1). 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

9-15.jpg

9-16.jpg

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.

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод. Откройте файл с9_011 (рис. 9.1) и включите схему. Мультиметр покажет напряжение на диоде Unp при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мульти-метр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов". Вычислите ток диода при прямом 1пр и обратном 1ов смещении согласно формулам (9.1) и (9.2).

Эксперимент 2. Измерение тока. Откройте файл с9_012 (рис. 9.2) и включите схему. Мультиметр покажет ток диода 1пр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь Мультиметр покажет ток 1ов диода при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода. Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном подключении, используя Мультиметр в режиме омметра. Малые значения сопротивления соответствуют прямому подключению. Показания прямого сопротивления различны для разных шкал омметра. Почему?

Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода. а). Прямая ветвь ВАХ. Отройте файл с9_013 (рис. 9.3). Включите схему. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, О В запишите значения напряжения Unp и тока 1пр диода в таблицу а) раздела "Результаты экспериментов". б). Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными О В, 5 В, 10 В, 15 В запишите значения тока 1ов и напряжения UQB в таблицу б) раздела "Результаты экспериментов". в). По полученным данным постройте графики 1пр (Unp) и IOB (Uos). г). Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при 1пр = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для 1пр = 0.4 мА и 1пр =0.2 мА. Ответы запишите в раздел "Результаты экспериментов". д). Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В и запишите экспериментальные данные в раздел "Результаты экспериментов". е). Вычислите сопротивление диода на постоянном токе 1пр = 4 мА по формуле Rcr= Unp/Inp и занесите результат в раздел "Результаты экспериментов". ж). Определите напряжение изгиба. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов". Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.

Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа. Откройте файл с9_014. (рис. 9.4). Включите схему. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запишите в раздел "Результаты экспериментов" величину напряжения изгиба.

Результаты экспериментов Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод. Измерьте и запишите напряжения на диоде:

9-17.jpg

Эксперимент 2. Измерение тока. Измерьте и запишите ток при прямом и обратном смещении

9-18.jpg

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода.

9-19.jpg

Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода. Вычислите и запишите токи и напряжения.

а). Прямая ветвь ВАХ.

Е,В

Unp, мВ

ТПР мА

5

4

3

2

1

0.5

0


б). Обратная ветвь ВАХ.

Е,В

UOB. мВ

IOB, мА

0

5

10

15


в). Построение графиков ВАХ. Прямая ветвь ВАХ

9-110.jpg

Обратная ветвь ВАХ

9-111.jpg

г). Дифференциальное сопротивление диода при прямом смещении, вычисленное по ВАХ.

9-112.jpg

д). Дифференциальное сопротивление диода при обратном смещении, вычисленное по ВАХ.

9-113.jpg

Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа. Напряжение изгиба, определенное из ВАХ, полученной при помощи осциллографа.

9-114.jpg

9-115.jpg

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?

  © riostat.ru