Лабораторная работа № 12

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПОРНЫХ ДИОДОВ (СТАБИЛИТРОНОВ)

Цель: ознакомиться с физическими основами работы, параметрами, характеристиками и применением опорных диодов (стабилитронов).

Опарные диоды (стабилитроны)- кремниевые полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. Основное назначение их – работа в параметрических стабилизаторах напряжения и в ограничителях переменного или импульсного напряжения. Типичная вольт – амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона изображена

На рис.8.

Минимальное значение тока I_сm_min ограничено резким возрастанием дифференциального сопротивления, максимальное I_с_m _m_ах – перегревом перехода. Если известно напряжение стабилизации при определенном токе и определенной температуре, то напряжение стабилизации при другом значении тока и температуры может быть определено как

= + I_с_m + e_с_m T,

где I_сmи T1 – изменение тока и температуры;

_/, где T - дифференциальное сопротивление

_/, где - температурный коэффициент напряжения

Дифференциальное сопротивление стабилитронов сильно зависит от величины протекающего через него тока (рис.9) и номинального напряжения стабилизации (рис.10). Температурный коэффициент напряжения (ТНК) ε_cm зависит от напряжения стабилизации (рис.11).

Рис. 9 Рис. 10

Рис. 11

Для стабилизации малых напряжений стабилитрон может быть включен в прямом направлении. В этом случае при токах более 5 ¸ 10 мА падение напряжения на стабилитронах практически всех типов одинаково и лежит в интервале 0,7 ¸ 0,9 В.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона в таком режиме несколько больше,

чем в обратном, а температурный коэффициент e_пр<0. Последнее обстоятельство в некоторых случаях позволяет при последовательном соединении обратно- и прямо смещенных стабилитронов уменьшить суммарное значение ТНК.

Описание схем измерений

Прямая ветвь ВАХ снимается с помощью схемы 6, изображенной на рис. 12.

Прямой ток I_пр и прямое падение напряжения U_пр измеряются соответственно миллиамперметром А₁ (пределы измерений 10 или 50 мА) и вольтметром U₁ (предел

измерения 1В). Резистор R₂₂ ограничивает максимальное значение прямого тока на уровне порядка 40 мА.

Рис. 12 Рис. 13

Обратная ветвь ВАХ снимается с помощью схемы 5, изображенной на рис. 13.

Тумблер П₉ при снятии обратной ветви должен находиться в положении III. Ток

стабилитрона I_cm измеряется c помощью миллиамперметра А₁ (пределы измерений 10 или 50 мА), напряжение стабилизации U_cm – c помощью вольтметра V₁ (предел 10 В).

Напряжение источника E₃ контролируется с помощью вольтметра V₂ (предел измерений 15 В), что позволяет определить диапазон стабилизации простейшего параметрического стабилизатора напряжения, образованного исследуемым стабилитроном и резистором R₁₁. Последний ограничивает максимальное значение тока через стабилитрон на уровне порядка 30 мА.

В положении II тумблера П₉ может быть снята результирующая ВАХ двух последовательно включенных стабилитронов (нижние по схеме диод включен в прямом направлении и выполняет функцию термокомпенсирующего элемента).

В положении I тумблера П₉ может быть снята прямая ВАХ термокомпенсирующего стабилитрона.

Учитывая, что значение дифференциального сопротивления стабилитрона весьма мало, точно определить зависимость напряжения стабилизации U_cm от тока стабилизации I_cm с помощью вольтметра V₁ затруднительно. Для повышения точности в схеме используется компенсационный способ измерения. В схеме имеется источник эталонного напряжения E_cm, включаемый тумблером П₁₀. Ламповый милливольтметр постоянного тока =mV измеряет разностное напряжение

U_p= U_cm- U_k,

Где U_cm – напряжение стабилизации стабилитрона;

U_k – компенсирующее напряжение, снимаемое с части потенциометра R₁₂.

Если U_cm = U_k, то измерение разностного напряжения можно производить при максимальной чувствительности милливольтметра. Такой способ позволяет достаточно точно определить зависимость изменений напряжения стабилизации от тока стабилизации и величину дифференциального сопротивления стабилитрона на постоянном токе.

Дифференциального сопротивления стабилитрона на переменном токе определяется с помощью схемы 3, изображенной на рис. 14.

Вольтметр V₂ и миллиамперметр А₁ имеет такое же назначение, как и в схеме 5.

Рис. 14

Режим работы стабилитронов по постоянному току определяется напряжением источника Е₃ и суммарным сопротивлением резисторов R₉ и R₁₀. Переменное напряжение от звукового генератора ЗГ через трансформатор Tp₂, конденсатор С₂ и резистор R₁₀ прикладывается к стабилитронам, вызывая протекание через них малой переменной составляющей тока I₁, величина которой может быть определена как

Тогда дифференциальное сопротивление будет равно:

В положении I тумблера П₉ определяется дифференциальное сопротивление термокомпенсирующего стабилитрона, в положении III - дифференциальное сопротивление обратного смещенного стабилитрона и в положении II – суммарное дифференциальное сопротивление.

Программа исследования

1. Записать паспортные данные исследуемых стабилитронов.

2. Подготовить стенд к работе:

а) тумблер П₇на панели П-II поставить в положение “диоды”;

б) тумблеры П₁¸ П₃ на панели П-I и тумблеры П₄¸ П₆ на панели П-III поставить в положение “выключено”;

в) тумблеры P₁¸ P₁₃ на панели П-II поставить в положение “ выключено ”;

г) включить цоколь с исследуемыми стабилитронами в панель ПЛ-I;

д) установить пределы измерений:

A₁– 50 мА, V₁– 10 B;

е) тумблер П₉поставить в положение I;

ж) тумблер П₁₀ поставить в положение “выключено”;

з) потенциометр R₁₂ установить в среднее положение;

и) все внешние измерительные приборы должны быть выключены;

3. Снять прямую ветвь вольт-амперной характеристики (схема 6) при Т₁ (температура воздуха в лаборатории):

а) включить тумблер “сеть” на панели П-II;

б) включить тумблер П₁ на панели П-I;

в) снять зависимость напряжения U_пр от величины прямого тока I_пр. Изменения I_пр

в указанных пределах осуществляется путем изменения напряжения источника Е₁. Результаты измерений занести в табл. I:

I_пр (мА)	U_пр(В)	R_пр= U_прI_пр(мВт)

T₁= …(°С) Таблица 1

г) выключить тумблер П₁ на панели П-I;

4. Снять обратную ветвь вольт-амперной характеристики при Т₁ (схема 5):

а) тумблер П₉ поставить в положение III;

б) включить тумблер Р₄ на панели П-II;

в) включить тумблер П₃ на панели П-I;

г) снять зависимость напряжения U_cm от тока I_cm.

Изменение I_cm в указанных пределах осуществляется путем изменения напряжения источника Е₃. Результаты измерений занести в табл. 2:

д) тумблер П₉ поставить в положение II;

е) снять зависимость напряжений U_cm + U_пр от тока I_cm_.

T₁= …(°С) Таблица 2

I_cm (мА)	П₉- III	П₉- II	R_cm = U_cm I_cm (мВт)	R_cm = (Oм)
U_cm (В)	U_cm + U_пр(В)

5. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона на постоянном токе (схема 5):

а) тумблер П₉ поставить в положение III;

б) включить эталонный источник тумблером П₁₀;

в) включить милливольтметр постоянного тока (предел измерений 10 В);

г) установить ток через стабилитрон I_сm = 5 мА и определить соответствующее этому току напряжение стабилизации ;

д) подобрать с помощью потенциометра R₁₂ компенсирующее напряжение U_к = .

При этом разностное напряжение U_р = 0 (для повышения точности измерений переключить на предел 0,5 В);

е) увеличивая ток через стабилитрон до I_cm _max, снять зависимость U_рот I_сm.

Результаты измерений занести в табл. 3:

I _с_m (мА)	E₃(В)	(В)	U_p (В)	U_cm = + U_р(В)

T₁= …(°С) П₉– III Таблица 3

ж) выключить милливольтметр и тумблер П₁₀.

6. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона на переменном токе (схема 3):

а) тумблер П₉ поставить в положение I;

б) установить переключатель звукового генератора (ЗГ) “выходное сопротивления” в положение 50 или 5 Ом;

в) установить аттенюатор ЗГ в положение 100 или 300 мВ;

г) установить заданное значение частоты;

д) включить ЗГ и электронный милливольтметр ~mV₁;

е) Установить выходное напряжение ЗГ такой величины, при которой напряжение U₂ (тумблер П₈ в положении U₂) равно заданному значению;

ж) снять зависимость напряжения U₁(тумблер П₈ в положении U₁) от величины прямого тока I_пр. Изменение I_пр в указанных пределах осуществляется путем изменения напряжения источника Е₃.

з) Результаты измерений занести в табл. 4:

T₁= …(°С) f = …(Гц) U₂ =…(мВ) R₁₀=100 Oм Таблица 4

I_пр(мА)	U₂(мВ)	U₂-U₁(мВ)

и) тумблер П₉;поставить в положение Ш и повторить операции, перечисленные в пл.

“е ”, “ж”.

Результаты измерений занести в табл. 5:

T₁= …(°С) f = …(Гц) U₂ =…(мВ) R₁₀=100 Oм Таблица 5

I_cm (мА)	U₁(мВ)	U₂-U₁(мВ)

к) выключить ЗГ и ~mV₁, тумблер П₃на панели П-I и тумблер Р₄на панели П-II поставить в положение “ выключено ”.

7. Выполнить операции, перечисленные в пп. 3,5:

а) Поместить исследуемые стабилитроны в термостат и подключить их к стенду с помощью переходного шланга;

б) включить термостат и нагреть стабилитрон до заданной температуры Т₂;

в) Результаты измерений занести в табл. 6,7:

T₂= …(°С) Таблица 6

I_пр(мА)	U_пр(В)	R_пр= U_прI_пр(мВт)

I _с_m (мА)	E₃(В)	(В)	U_p (В)	U_cm = + U_р(В)

T₂= …(°С) П₉– III Таблица 7

г) выключить термостат, тумблеры П₁ и П₃ на панели П-I, тумблер Р₄на панели П-II.

Тумблер П₉поставить в положение I.

Построения и расчеты

1. По данным табл. 1,6 построить прямую ветвь ВАХ стабилитрона при температурах Т₁ и Т₂.

2. По данным табл. 2 построить зависимости:

U_cm = f₁ (I_cm), + U_р= f₂ (I_cm).

3. По данным табл. 3 построить при температурах Т₁ и Т₂ зависимости:

U_p= f₃ (I_cm) _/; U_p= f₃ (I_cm) _/

4. По данным табл.3:

а) определить дифференциальное сопротивление по графику U_p = f₃ (I_cm) _/

в точках А, Б, В (рис.15) путем построения малых характеристических треуголь - ников. Точка А выбирается около минимального значения тока стабилизации, точка Б – около среднего и точка В – около максимального значения;