double arrow

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 Iсm min ограничено резким возрастанием дифференциального сопротивления , максимальное Iсm mах – 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

= + Iсm + eсm T ,

где Iсm и 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) εcm 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 eпр<0. Последнее обстоятельство в некоторых случаях позволяет при последовательном соединении обратно- и прямо смещенных стабилитронов уменьшить суммарное значение ТНК.

Описание схем измерений

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

Прямой ток Iпр и прямое падение напряжения Uпр 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

  1. 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 Icm измеряется c помощью миллиамперметра А1 (пределы измерений 10 или 50 мА) , напряжение стабилизации Ucm – 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 Ucm от тока стабилизации Icm с помощью вольтметра V1 затруднительно. Для повышения точности в схеме используется компенсационный способ измерения. В схеме имеется источник эталонного напряжения Ecm , включаемый тумблером П10. Ламповый милливольтметр постоянного тока =mV измеряет разностное напряжение

Up = Ucm- Uk ,

Где Ucm – напряжение стабилизации стабилитрона ;

Uk – компенсирующее напряжение , снимаемое с части потенциометра R12.

Если Ucm = Uk , 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.

  1. 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 П7 на 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 П9 поставить 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 Uпр от величины прямого тока Iпр. Изменения Iпр

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

Iпр (мА) Uпр (В) Rпр = Uпр Iпр (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 Ucm от тока Icm.

Изменение Icm 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 Ucm + Uпр от тока Icm .

T1 = …(°С) Таблица 2

Icm (мА) П9 - III П9 - II   Rcm = Ucm Icm (мВт) Rcm = (Oм)
Ucm (В) Ucm + Uпр (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 Uк = .

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

е ) увеличивая ток через стабилитрон до Icm max , снять зависимость Uр от I сm .

Результаты измерений занести в табл. 3:

I сm (мА) E3 (В) (В) Up (В) Ucm = + Uр (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 Iпр. Изменение Iпр 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

  Iпр(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

  Icm (мА)   U1(мВ)   U2-U1(мВ)
         

к ) выключить ЗГ и ~mV1 , тумблер П3 на панели П-I и тумблер Р4 на 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

Iпр(мА) Uпр(В) Rпр = Uпр Iпр (мВт)
     
I сm (мА) E3 (В) (В) Up (В) Ucm = + Uр (В)
         

T2 = …(°С) П9 – III Таблица 7

г ) выключить термостат , тумблеры П1 и П3 на панели П-I , тумблер Р4 на панели П-II.

Тумблер П9 поставить 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 :

Ucm = f1 (Icm), + Uр = f2 (Icm).

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

Up = f3 (Icm) / ; Up = f3 (Icm) /

4. По данным табл.3 :

а ) определить дифференциальное сопротивление по графику Up = f3 (Icm) /

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 ;

Рис. 15

б ) определить коэффициент стабилизации К параметрического стабилизатора в точках А ,

Б , В :

, где - статический коэффициент передачи напряжения ;

- динамический коэффициент передачи напряжения.

В данном случае Rн = , Rн = RБ . А так как , то G ≈ и

Полученные результаты занести в табл. 8 ;

в ) по данным табл. 8 построить зависимости :

= f5 (Icm) К = f6 (Icm).

T2 = …(°С) R11 = 280 Ом Таблица 8

  Точки   Icm (мА)   (Ом)
А          
Б          
В          

5. По данным табл. 4,5 построить зависимости :

6. По данным табл. 1,6 определить усредненное значение ТНК εпр :

/ (мВ/˚C).

7. По данным табл. 3,7 определить усредненное значение ТНК εпр :

/ (мВ/˚C).

7. По данным табл. 2,5 построить зависимость критерия качества Q от тока Icm :

.

Контрольные вопросы

1. Перечислите и объясните смысл параметров , характеризующих работу стабилитрона.

2. Что такое коэффициент лавинного умножения ?

3. Почему могут различаться по величине значения и ?

4. Объясните назначение балластного резистора R11 в схеме 5 ( R9 и R10 в схеме 3 ).

5. Какими способами можно уменьшить температурные изменения напряжения стабилизации ?

6. Опишите работу простейшего параметрического стабилизатора графо-аналитическим методом.

Литература

Основная: [2] , стр.149-157 ; [6] , стр. 78-93 ;

[8] , стр. 69-86.

Дополнительная : [1] , стр.131-135 ; [10] , cтр. 335-340.







Сейчас читают про: