Краткие теоретические сведения

Электроника

 

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

 для студентов очной формы обучения

направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

 

 

Брянск 2018

УДК 621.382

Электроника: [Текст]+[Электронный ресурс]методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов очной формы обучения направления13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»– Брянск: БГТУ, 2018с.

 

Разработал: А.А. Малаханов,

кандидат технических наук, доцент

 

 

Рекомендовано кафедрой «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы» БГТУ

 

 

Методические указания публикуются в авторской редакции

 

 

Научный редактор                          В.А. Хвостов

 

                       Компьютерный набор                    А.Г. Малаханова

 

Темплан 2018 г.

 

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ.л. Уч.-изд.л.. Тираж 20 экз. Бесплатно

 

Брянский государственный технический университет

Кафедра «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы»

241035, Брянск, бульвар 50лет Октября, 7, тел. 56-36-02

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИЗМЕРЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАХ И ПАРАМЕТРОВ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ И СХЕМ С НИМИ

 

Цель лабораторной работы - закрепление теоретических знаний о физических принципах работы и определяемых ими характеристиках и параметрах выпрямительных полупроводниковых диодов путем экспериментального исследования их с помощью моделирования на ПЭВМ.

 

Краткие теоретические сведения

 

Зависимость тока через диод от напряжения на диоде называется вольт - амперной характеристикой диода.

Теоретическое описание вольт - амперной характеристики (BAX) идеального p–n- перехода, полученное Уильямом Шокли и известное как уравнение Эберса – Молла, имеет вид:

где U – напряжение на p–n- переходе диода,  – ток насыщения, = kT/q – тепловой потенциал. При T = 300 К, = 25 мВ.

 ВАХ идеального p–n- перехода приведена на Рис. 1, а.

Рис. 1 Статические вольт - амперные характеристикиидеального p–n-перехода (а) и реального диода (б)

 

При положительных и отрицательных напряжениях U, больших по модулю 0,1 В, ВАХ описывается упрощенным выражением:

 

При протекании большого прямого тока через диод падение напряжения возникает не только на p–n -переходе, но и на объемном сопротивлении полупроводника R. В результате реальная ВАХ диода (Рис. 1, б) отличается от ВАХ идеального p–n- перехода (Рис. 1, а) и описывается выражением:

 

Различают прямую (при U > 0) и обратную (при U < 0) ветви ВАХ. Прямой ветви ВАХ соответствуют большие значения прямого тока диода и малые падения напряжения на диоде, обратной ветви – малые значения обратного тока диода при достаточно больших (по модулю) обратных напряжениях на диоде. Свойством проводить ток практически в одном направлении (свойство односторонней проводимости) и определяется использование диода для целей выпрямления переменного тока.

На прямой ветви ВАХ выпрямительного диода выделяют условную точку ее резкого излома и соответствующее ей напряжение, называемое пороговым. Пороговое напряжение приближенно составляют 0,3 В для германиевых диодов, 0,6 В – для кремниевых и 1,2 В – для арсенид-галлиевых.

Важным параметром диода является коэффициент выпрямления , который определяется как отношение прямого тока к обратному при одинаковой (по модулю) величине прямого и обратного напряжений (например: ±0,01 В; ±0,1 В; ±1 В). Для идеального диода , = 1 при U = ±0,01 В. При U= ±1 В , = 2,8· .

Для реального диода существует максимально допустимый прямой ток , превышение которого приводит к его недопустимому разогреву и тепловому пробою. Значение  относится к справочным предельным параметрам диодов. Для диодов малой мощности предельный прямой ток составляет десятки миллиампер.

 

При приложении определенного обратного напряжения, называемого напряжением пробоя, начинается процесс лавинообразного нарастания тока, что соответствует электрическому пробою p–n-перехода (отрезок А–Б на Рис. 1, б). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки Б).

Максимально допустимое обратное напряжение  также является важным предельным параметром выпрямительных диодов и составляет для диодов малой мощности десятки-сотни вольт.

Дифференциальное сопротивление диода представляет отношение приращения напряжения на диоде к приращению тока через диод:

Оно имеет большое значение на обратной ветви ВАХ и малое значение, обратно пропорциональное току диода, – на прямой ветви ВАХ диода (Рис. 2).

Рис. 2 Зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины прямого тока

Статическое сопротивление диода (сопротивление постоянному току) определяется отношением напряжения на диоде к протекающему через него току:

 

 

При повышении температуры прямой и обратный токи диода возрастают. У германиевых диодов обратный ток увеличивается в 2 раза на каждые 10 ºС повышения температуры. Прямой ток диода растет при нагреве не так сильно как обратный, поскольку он возникает за счет примесной проводимости. При возрастании температуры ВАХ диода сдвигается влево.

Характеристики и параметры реальных полупроводниковых приборов, в том числе выпрямительных диодов, имеют, как правило, существенный разброс относительно среднестатистических характеристик и параметров, приводимых в справочных данных.

Численное значение параметра, установленное техническими условиями или государственным стандартом, называется номинальным значением параметра.

Статистический разброс параметров, обусловленный несовершенством технологии, оценивают по максимально допустимым отклонениям их от номинальных значений. Эти отклонения называют допусками и выражают либо в относительных единицах (процентах), либо в крайних значениях параметра. Для выпрямительных диодов статистический разброс учитывается в приводимом максимально допустимом обратном напряжении и максимально допустимом прямом постоянном токе  (например, для диода КД522А они равны 20 В и 100 мА).

Отклонения характеристик и параметров диодов от номинальных значений может быть обусловлено также сильной зависимостью их от температуры.

Это следует учитывать при исследовании технологического разброса характеристик и параметров полупроводниковых диодов.

Выпрямителями в общем случае называются устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Существуют различные виды полупроводниковых выпрямителей, отличающиеся количеством диодов, схемой их включения, типом сглаживающего фильтра.

Простейшая схема для выпрямления переменного тока показана на Рис. 3, а.

 Она включает в себя генератор переменной ЭДС (е), диод VD и нагрузочный резистор . Эта схема называется однополупериодной схемой выпрямления с активной нагрузкой.

Для питания радиоэлектронной аппаратуры в качестве источника переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (Рис. 3, б).

Рис. 3 Схема однополупериодного выпрямителя: е – источник ЭДС, Тр – трансформатор, ,  – напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора, VD – выпрямительный диод,  – сопротивление нагрузки  – напряжение на нагрузке

Однофазный однополупериодный выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну выпрямляемого напряжения. Полезной частью такого напряжения является его постоянная составляющая или среднее значение . Для однополупериодной схемы среднее значение напряжения определяется как:

где  (или ) – амплитуда напряжения источника е (для схемы Рис. 3, б – напряжения на вторичной обмотке трансформатора ).

Если напряжение источника составляет величину десятки-сотни вольт, то падением напряжения на диоде можно пренебречь и  ≈ 0,3 . При выпрямлении переменного напряжения небольшой амплитуды (единицы вольт) необходимо учитывать падение напряжения на диоде, которое может составлять до 0,6 В для маломощных германиевых диодов и более 1 В для кремниевых.

При отрицательной полуволне все напряжение источника приложено к диоду и является для него обратным. Максимальное значение обратного напряжения  равно амплитуде ЭДС источника (напряжение на вторичной обмотке трансформатора).

Важным параметром, характеризующим работу выпрямителя, является коэффициент пульсаций :

 

Он определяется как отношение амплитуды первой гармоники переменного напряжения на нагрузке, получаемой путем разложения его в ряд Фурье, к среднему значению напряжения на нагрузке. Для однополупериодного выпрямителя:

 

,

что соответствует значению коэффициента пульсаций  = 1,57. Выпрямленное напряжение с такими большими пульсациями непригодно для практических целей.

Простейший способ сглаживания пульсаций – включение конденсатора большой емкости параллельно нагрузке (Рис. 4). Конденсатор обеспечивает хорошее сглаживание, если его сопротивление на частоте основной гармоники пульсаций намного меньше сопротивления нагрузки:

Рис. 4 Схема выпрямителя со сглаживающим фильтром