Порядок виконання роботи. 1. Запустити програму Multisim

1. Запустити програму Multisim.

2. Вивчити призначення всіх елементів схеми (рис. 3.6).

Рис. 3.6 Електрична принципова схема виміру вольт-амперної характеристики напівпровідникових діодів

3. Дослідити вольт-амперну характеристику напівпровідникового діоду 1N4001GP. Для цього:

- встановити значення напруги генератора 0,1В;

- увімкнути моделювання;

- занести показники амперметру (U1) та значення напруги генератора (V1) до протоколу;

- вимкнути моделювання;

- повторити вищеназвані дії для наступних напруг генератора: 0,3В; 0,7В; 2В; 5В; 7В;

- змінити полярність увімкнення генератора у схемі;

- заміряти значення напруг та струмів на діоді при наступних значеннях напруг генератора: 0,1В; 0,5В; 1В; 5В;

- занести показники амперметра та значення напруг генератора до протоколу;

- побудувати вольт-амперну характеристику.

4. Побудувати схему однонапівперіодного випрямляча. Вивчити призначення всіх елементів схеми (рис. 3.7). Ключ DIPSW1 знаходиться в бібліотеці Basic, група SWITCH.

Початкові настроювання схеми повинні повністю співпадати з тими, що зображені на рисунку 3.7.

5. Дослідити роботу діода 1N4001GP в схемі однонапівперіодного випрямляча. Для цього:

- увімкніть моделювання. Зарисувати в протокол осцилограми вхідної та вихідної напруг;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол максимальні вхідну та пряму вихідну напруги;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол період вихідного сигналу. Обчислити частоту вихідного сигналу;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол максимальну зворотну напругу на діоді;

- вимкнути моделювання;

- обчислити середнє значення вихідної напруги .

Рис. 3.7 Схема електрична принципова однонапівперіодного випрямляча на напівпровідниковому діоді

6. Дослідити вплив ємнісного фільтра на роботу однонапівперіодного випрямляча. Для цього:

- за допомогою клавіші «Space» замкнути ключ S1;

- увімкнути моделювання. Зарисувати в протокол осцилограми вхідної та вихідної напруг;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол максимальну вихідну напругу і різницю між мінімумом та максімумом вихідної напруги ;

- обчислити середнє значення вихідної напруги ;

- обчислити коефіцієнт пульсацій вихідного сигналу;

- зарисувати осцилограми вихідного сигналу при наступних значеннях вихідних ємності та опору: (С1; R1) = (100%; 100%), (100%; 75%), (100%; 50%), (100%; 25%), (75%; 100%), (50%; 100%), (25%; 100%);

- вимкнути моделювання.

6. Порівняти результати вимірів та обрахунків, отриманих у пунктах 5,6.

7. Побудувати схему двохнапівперіодного випрямляча. Вивчити призначення всіх елементів схеми (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Схема електрична принципова двохнапівперіодного випрямляча на напівпровідниковому діоді

Початкові настроювання схеми повинні повністю співпадати з тими, що зображені на рисунку 3.8. Тобто: S1 – розімкнутий, R1 = 100%, C1 = 100%.

8. Дослідити роботу діода 1N4001GP в схемі двохнапівперіодного випрямляча. Для цього:

- увімкнути моделювання. Зарисувати в протокол осцилограми вхідної та вихідної напруг;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол максимальні вхідну та пряму вихідну напруги;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол період вихідного сигналу. Обчислити частоту вихідного сигналу;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол максимальну зворотну напругу на діоді;

- вимкнути моделювання;

- обчислити середнє значення вихідної напруги .

9. Дослідити вплив ємнісного фільтра на роботу двохнапівперіодного випрямляча. Для цього:

- за допомогою клавіш «Space» замкнути ключ S1;

- увімкнути моделювання. Зарисувати в протокол осцилограми вхідної та вихідної напруг;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол максимальну вихідну напругу і різницю між мінімумом та максимумом вихідної напруги ;

- обчислити середнє значення вихідної напруги ;

- обчислити коефіцієнт пульсацій вихідного сигналу;

- зарисувати осцилограми вихідного сигналу при наступних значеннях вихідних ємності та опору: (С1; R1) = (100%; 75%), (100%; 50%), (100%; 25%), (75%; 75%), (50%; 75%), (25%; 75%);

- вимкнути моделювання.

10. Порівняти результати вимірів та обрахунків, отриманих у пп. 9,10.

11. Побудувати схему діодного обмежувача. Вивчити призначення всіх елементів схеми. В початковому стані перемикачі S1 і S2 повинні бути в положенні «1».

12. Дослідити роботу діода 1N4001GP в схемі обмежувача напруги. Для цього:

- увімкнути моделювання. Зарисувати в протокол осцилограми вхідної та вихідної напруг;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол максимальні вхідну, пряму та зворотну вихідні напруги;

- вимкнути моделювання;

- за допомогою клавіші «Space» перемкнути S1 і S2 в положення «2»;

- увімкнути моделювання. Зарисувати в протокол осцилограми вхідної та вихідної напруг;

- за допомогою моделі осцилографа виміряти та занести в протокол максимальні вхідну, пряму та зворотну вихідні напруги;

- вимкнути моделювання.

Рис. 3.9 Схема електрична принципова обмежувача на напівпровідниковому діоді

13. Виключити програму Multisim.

14. Сформулювати висновки й оформити протокол звіту.

3.3. ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

Звіт повинен містити:

· мету лабораторної роботи;

· принципові електричні схеми, які використовуються в роботі;

· осцилограми вихідних сигналів, отримані при дослідженні роботи напівпровідникового діода в різних схемах;

· результати досліджень у виді таблиць і графіків, виконаних на міліметрівці;

· висновки, що базуються на аналізі отриманих результатів.

3.4. КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як побудовано напівпровідникові діоди?

2. Чим обмежується швидкодія діодів?

3. Наведіть і поясніть еквівалентні схеми діода.

4. Як здійснюється випрямлення змінної напруги за допомогою схем на напівпровідникових діодах?

5. Поясніть роботу двохнапівперіодного випрямляча.

6. Як впливає ємнісний фільтр на результат випрямлення?

7. Поясніть роботу обмежувача на напівпровідниковому діоді.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СТАБІЛІТРОНІВ

Мета роботи: поглиблення і закріплення знань з основних фізичних процесів, що протікають у зворотно-зміщених електронно-діркових переходах, особливості напівпровідникових стабілітронів, їхні експлуатаційні параметри; набуття навичок експериментального дослідження таких приладів і визначення показників параметричних стабілізаторів.

4.1. ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Напівпровідникові діоди ефективно використовуються й у зворотному включенні. Коли зворотна напруга діода досягає визначеного критичного значення, струм діода починає різко зростати. Це явище називають пробоєм діода. Розрізняють три види пробою: тунельний, лавинний і тепловий. Перші два пов’язані зі зростанням напруженості електричного поля в переході, а третій – зі зростанням потужності, яка розсіюється в переході, а отже і температури.

В основі тунельного пробою лежить тунельний ефект, тобто «просочування» електронів крізь тонкий потенційний бар’єр переходу. В основі лавинного пробою лежить «розмноження» носіїв в сильному електричному полі, яке діє в області переходу. Електрон і дірка, які прискорюються полем під час вільного пробігу, можуть розірвати один з ковалентних зв’язків напівпровідника. В результаті з’являється нова пара електрон-дірка і процес повторюється уже за участі нових носіїв. Якщо напруга поля достатньо велика, тобто якщо вихідна пара носіїв в середньому дає життя більш ніж одній новій парі, іонізація набуває лавинний характер, подібно самостійному розряду в газі. При цьому струм буде обмежено тільки зовнішнім опором. Явище пробою застосовується в стабілітронах – приладах, який призначено для стабілізації напруги.

Тунельний та лавинний пробій не приводять до руйнування p-n переходу. Тому при зниженні напруги p-n перехід повертається до свого попереднього стану.

Тепловий пробій, як правило руйнує p-n перехід, тому зворотної дії не має.

В основі теплового пробою лежить саморозігрів переходу під час протікання зворотного струму.

При зростанні температури зворотній струм теж зростає, відповідно зростає потужність, яка розсіюється в переході; це викликає додаткове зростання температури і, як наслідок, руйнування переходу.

4.1.1. Моделювання стабілітронів.

В програмі Multisim стабілітрони представлено в каталозі Diodes бібліотеки компонентів.

Після натискання кнопки Zener з’явиться діалогове вікно вибору конкретного діоду (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Діалогове вікно вибору моделі стабілітрона програми Multisim

4.1.2. Параметричний стабілізатор.

Використовується в малопотужних джерелах живлення (з вихідним струмом 15...20 мА), а також у якості джерел опорної напруги в компенсаційних стабілізаторах і контрольно-вимірювальній апаратурі.

Основну схему одно каскадного параметричного стабілізатора наведено на рисунку 4.2,а. При зміні вхідної напруги струм через стабілітрон VD теж змінюється. Це призводить до незначних змін напруги на стабілітроні, а отже, і на навантаженні. Зміна залежить від приросту , опору резистора , і внутрішнього (диференційного) опору стабілітрона, який дорівнює R_S = dU_S / dI_S.

Коефіцієнт стабілізації в загальному випадку визначається за формулою:

(4.1)

Для орієнтовних розрахунків використовують наближену формулу:

(4.2)

Для більш точних розрахунків рекомендується формула:

(4.3)

де – струм стабілітрона і навантаження відповідно.

Коефіцієнт корисної дії такого стабілізатора розраховується за формулою:

(4.4)

Внутрішній опір стабілізатора, обумовлений в основному диференційним опором стабілітрона, досягає мінімальної величини для стабілітронів з напругою стабілізації 6... 8В.

Рис. 4.2 Схема параметричного стабілізатора напруги: а) без термокомпенсації; б) з термокомпенсацією; в) двохкаскадний

Температурний коефіцієнт напруги стабілітрона визначає відхилення вихідної напруги параметричного стабілізатора при зміні температури. Найбільшу температурну залежність мають прилади з напругою стабілізації . Температурна компенсація в цьому випадку може бути досягнута ввімкненням послідовно зі стабілітроном діодів в прямому напрямку (VD2 i VD3 на рис.4.2,б). Але при цьому зростає внутрішній опір стабілізатора за рахунок диференційних опорів термокомпенсуючих діодів. Крім того, термокомпенсований стабілізатор має підвищене значення і зниженій коефіцієнт стабілізації.

Якщо потрібна підвищена стабільність вихідної напруги, то використовують двох каскадні (рис. 4.2,в), мостові схеми стабілізаторів або параметричні стабілізатори зі стабілізатором струму. Попередня стабілізація напруги в двох каскадному стабілізаторі (рис. 4.2,в) за допомогою елементів i VD1 дозволяє отримати достатньо високий коефіцієнт стабілізації вихідної напруги. Він визначається за формулою:

, (4.5)

де - динамічні опори стабілітронів VD1 і VD2.