Дослідження напівпровідникових приладів.

Мета: опанувати методику побудови вольт-амперних характеристик. Дослідити роботу напівпровідникового діода, стабілітрона, транзистора, польового транзистора.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

Нелінійними називають елементи електричних кіл, для яких електричний опір не є постійним, а залежить від режиму роботи елемента. Для таких елементів залежність між напругою та струмом на графіку не є прямою лінією, тобто, в деякій мірі, порушується закон Ома. Відповідно, для характеристики роботи таких елементів недостатньо введення однієї характеристики, на зразок опору. Поведінка нелінійних елементів у електричних колах визначається повною залежністю сили струму від напруги на елементі, яка подається у вигляді вольт-амперної характеристики (ВАХ) відповідного елемента.

Серед найбільш поширених нелінійних елементів можна виділити діоди і транзистори. Головна задача діодів полягає у пропусканні сигналів однієї полярності і блокуванні протилежних. Відтак, ВАХ ідеального діода складається з двох ліній – вертикальної (опір 0) для позитивних напруг, та горизонтальної (опір ∞) для негативних.

Реальні діоди, внаслідок особливостей виготовлення та будови, мають ВАХ, що відрізняється від ідеальної. На рис. 6.1 наведені схематичні ВАХ ідеального та реального діодів Зокрема, можна виділити наступні відхилення:

Нахильність робочої ділянки (наявність ненульового опору). Дана особливість дозволяє використовувати діоди як пристрої з керованим опором.

Наявність прямого падіння напруги (ділянка зростання починається не з нуля). Це дозволяє стабілізувати невеликі напруги.

Наявність напруги пробою – негативної напруги за якої діод втрачає „не пропускну” здатність. Це дозволяє стабілізувати або обмежувати відносно високі напруги.

Отже, існують пристрої, що працюють якраз на відхиленнях від ідеальності. Ці пристрої теж відносять до діодів, проте вони мають і власні назви: варікапи, стабілітрони, стабістори, тощо.

Транзистори можна уявити себе як керовані діоди – пристрої здатні пропускати більший чи менший струм в залежності від керуючої дії. Транзистори також можна уявляти кранами, які здатні керувати великими потоками рідини за допомогою відносно невеликих зусиль при їх обертанні. За технологією виготовлення транзистори поділяють на польові та біполярні.

На рис. 6.2 наведене позначення біполярного транзистора типу n-p-n та схематичний принцип його роботи: невеликі струми у колі бази „відкривають” транзистор і керують великими струмами у ланці колектор-емітер.

Вольт-амперні характеристики транзисторів поєднують для різних струмів (або напруг) бази. В такому випадку кажуть про сімейство ВАХ. З них видно, як зростає струм у колекторному колі при невеликих змінах струму чи напруги на базі.

 

Для дослідження ВАХ елементів можна використовувати осцилограф в режимі міжканальної розгортки. В один канал (А) осцилографа подається величина напруги на елементі, в інший (В) – струму і вмикається режим розгортки В/А, за якого величини сигналів відображаються не у часі, а у залежності одна від іншої. Особливість полягає у тому, що осцилограф не здатен вимірювати сили струмів. Тому у коло вводять додатковий резистор невеликого опору, напруга на якому буде давати відомості про силу струму у колі.

На рис. 6.3 наведена схема для вимірювання ВАХ діода. Не зважаючи на те, що у пакеті Electronics Workbench існує досить широкий вибір назв діодів, не для всіх з них введені реальні параметри. Для практичного дослідження оберемо модель 1N4001 виробника 1N. Відкриємо властивості діода, оберемо вкладку „model”, знайдемо відповідну модель і натиснемо кнопку „edit” для виведення вікна з властивостями діода. Для дослідження принциповими є максимальна зворотна напруга (Reverse breakdown voltage – 49.9 Вольт) та пряме падіння напруги (Junction potential – 0.75 Вольт). Намагаючись побачити область пробою діода поставимо на генераторі напругу 45 Вольт, пам’ятаючи, що амплітудне значення більше за діюче.

Увімкнувши коло побачимо на осцилографі діаграму, подібну до рис. 6.4. Як видно з рисунка, зворотна ланка дійсно обривається на 5-й клітинці (5х10 = 50 В), пряме падіння напруги (0,75 В) точно перевірити важко, проте помітно, що воно наявне. Нахил робочої ділянки непомітний. Якщо подивитись на властивості діода, можна побачити, що його опір закладений на дуже низькому значенні, тож і не проявляється на діаграмі.

Також помітні випадкові лінії поблизу перехідних точок ВАХ. В основному, вони зв’язані з недоліками моделювання, а саме, з дискретністю крока.

Наприклад, в один момент часу напруга 0.5 В, в наступний ‑0.1. А з’єднуються ці точки прямою лінією. Якщо крок часу моделювання не вкладається цілу кількість разів у період сигналу, точки переходу весь час різні, а на діаграмі спостерігаються сукупності ліній. В реальних приладах подібні явища не спостерігаються.

 

Для дослідження ВАХ біполярного транзистора використовується більш складна схема, наведена на рис. 6.5.

Особливістю побудови ВАХ транзистора полягає у наявності двох параметрів: струму бази та, власне, ВАХ колектор-емітерного переходу. Струм бази задається батареєю та обмежувальним резистором R1, струм колектора – генератором з обмежувальним резистором R3. Резистор R2 використовується для вимірювання струму. Діод D1 забороняє подачу на транзистор напруги оберненої полярності.

Для побудови сімейства ВАХ змінюють кілька разів величину струму бази за допомогою напруги батареї або величини R1. Отримані на осцилографі графіки об’єднують у один із зазначенням відповідних режимів (див. рис. 6.2).

Схематичне позначення польового транзистора з каналом п -типу наведене на рис. 6.6. Польові транзистори теж являють собою керовані елементи, проте мають ряд відмінностей від біполярних транзисторів. Якщо біполярний транзистор можна уявити краном, що відкривається, то польовий – краном, що закривається. Відповідно до принципу роботи у польового транзистора змінені назви виводів: стік – „приймає” потік (струм), витік (інколи істок) – віддає, затвор – керує потоком. За відсутності сигналів на затворі, каналом стік-витік тече струм максимальної величини (обмеженої моделлю транзистора). При подачі напруги на затвор, величина потоку зменшується і при деякій напрузі стає нульовою. Таку напругу називають напругою відсічу. Для транзисторів з каналом п -типу напруга на затворі має бути негативною, р -типу – позитивною (на схемі затвор позначається стрілкою протилежного напряму). Передаточна та вихідна характеристики польового транзистору з n каналом подані на рис. 6.7. Як видно з рисунка, напруга відсічу становить -3 В.

 

Схема для вимірювання характеристик польового транзистора наведена на рис. 6.8. На відміну від рис. 6.5, замість встановлення струму бази встановлюється напруга затвору. Відповідно, зникає необхідність у резисторі R1 та вимірювальному приладі. Напругу можна визначати безпосередньо з батареї. Головне – не переплутати її полярність.

Діод D1 повністю аналогічно до схеми рис. 6.5 забороняє подачу на канал транзистора напруги оберненої полярності. Хоча транзистор можна досліджувати і для зворотних напруг, такий режим їх роботи не використовується на практиці, оскільки не відповідає головній ідеї використання транзисторів – керовані елементи, що здатні керувати великими струмами за допомогою невеликих струмів чи напруг.

 

Серед важливих, не зазначених вище, характеристик діодів всіх типів та транзисторів як біполярних, так і польових слід також вказати граничні параметри, які не можна перебільшувати. До них відносять максимально припустимі струми і напруги, а також (в особливості для потужних транзисторів) максимально припустиму потужність розсіювання. І, хоча Electronics Workbench не „спалює” діоди чи транзистори, при моделюванні роботи кіл зазначені обмеження ураховуються. Відповідно, можна отримати графіки чи числові значення, що суттєво відрізняються від очікуваних. Якщо кола не містять помилок у будові, то в такому разі слід звернути увагу на можливість перевантаження нелінійних елементів. Спробуйте, для прикладу, при дослідженні діода встановити (рис. 6.3) на генераторі напругу 100 В (напруга пробою діода 50 В) і подивитись на зміну ВАХ. Лише не намагайтесь відтворити це у реальних колах.

ЗАВДАННЯ

1. Зібрати схему за рис. 6.3. Встановити відповідні режими роботи генератора та осцилографа. Отримати діаграму, подібну до рис. 6.4.

2. Замінити діод на інший, параметри якого відрізняються від ідеального. Отримати та зарисувати його ВАХ. Відзначити відповідні величини.

3. Замінити діод на стабілітрон (Zener Diode) 1N4733. Отримати та зарисувати його ВАХ. Визначити напругу стабілізації (як напругу пробою).

4. Зібрати схему за рис. 6.5. Отримати ВАХ на осцилографі. Зміною опору резистора R1 побудувати 6-7 ліній ВАХ на одному графіку. Величини R1 обирати з діапазону 100-700 кОм.

5. Зібрати схему за рис. 6.8. Отримати ВАХ на осцилографі. Зміною напруги на батареї визначити напругу відсічу. Побудувати 6-7 ліній ВАХ на одному графіку для різних напруг на затворі (до напруги відсічу).

6. У звіті представити зарисовані ВАХ різних елементів із зазначенням режимів вимірювання.

7. (Додаткове завдання підвищеної складності) За результатами вимірювань пп. 4-5 побудувати передаточні характеристики біполярного (залежність струму колектора від струму бази) та польового (див. рис. 6.7) транзисторів.

Лабораторна робота № 7

Вторинні джерела живлення.

Мета: набути досвіду розрахунку, складання та налагодження вторинних джерел живлення. Здобути практичних навичок створення стабілізаторів напруги.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

Більшість електронних пристроїв потребують низьковольтного живлення постійним струмом, яке до того ж, протягом тривалого часу не повинно виходити за межі деяких визначених значень, тобто бути стабільним.

Іноді в якості первинних джерел електроживлення (особливо в апаратурі, що переноситься) використовують батареї гальванічних елементів. Під час роботи хімічна енергія елементів вичерпується, і в міру її зменшення напруга в ланках живлення змінюється. Якщо схема не допускає таких великих змін, виникає потреба в додаткових пристроях, які стабілізують напругу або струм, що споживається.

Для живлення стаціонарної апаратури використовують побутову мережну змінну напругу 220 В частотою 50 Гц, яка виробляється іншим первинним джерелом - електростанцією. Природно, цю напругу треба знизити, перетворити в постійну, позбутися пульсацій та стабілізувати. Можна відзначити, що нестабільність мережної напруги при „нормальному” функціонуванні може сягати 10% як в бік збільшення, так і в бік зменшення від номінального значення. Також можна поставити задачі витримування і більш суттєвих стрибків напруги.

Вторинне джерело живлення, що призначене для використання з побутовою мережею, складається з наступних блоків:

1. Перетворювач змінної напруги. Як правило, мова іде про зниження її значення, хоча трапляються і задачі її підвищення. В найпростішому випадку для перетворення використовується трансформатор. Після перетворювача напруга залишається змінною, проте її величина відповідає вимогам споживача.

2. Випрямляч. Задача випрямляча перетворити напругу змінної полярності на напругу однієї полярності. Після випрямляча напруга залишається змінною, проте знак напруги не змінюється. Таку напругу називають пульсуючою.

3. Стабілізатор. Завдання стабілізатора зменшити пульсації напруги, що надходить з випрямляча до значень, задовільних для споживача.

4. Споживач (навантаження). Хоча споживач безпосередньо не відноситься до джерела живлення, його параметри можуть суттєво впливати на режим роботи джерела. Відтак, джерело живлення призначається лише для певного класу споживачів з відповідними параметрами.

Робота трансформатора розглядається в шкільному курсі фізики і в рамках даної лабораторної роботи досліджуватись не буде. Для моделювання будемо використовувати генератор, в якому будемо відразу задавати необхідне значення напруги.

Розглянемо будову випрямлячів. В найпростішому варіанті в якості випрямляча використовується звичайний діод. На рис. 7.1 наведена схема найпростішого джерела живлення без стабілізатора.

Діод без змін пропускає сигнали однієї полярності і не пропускає інші. Відтак, після діода, тобто на навантаженні, спостерігається лише „половина” сигналу від генератора.

Такий випрямляч називають однонапівперіодним, оскільки він пропускає крізь себе лише одну половину періоду змінної напруги. Відповідно, половина енергії сигналу втрачається, що робить цей випрямляч енергетично невигідним. Однонапівперіодний випрямляч може використовуватись у задачах вимірювання, коли від сигналу має відбиратись мінімум енергії. Для задач живлення він не є ефективним.

Двонапівперіодний випрямляч складається з чотирьох діодів – так званого „діодного містка” (див. рис. 7.2). Оскільки діодні містки виготовляються у вигляді окремих деталей, у Electronics Workbench передбачена можливість використання містка як єдиного цілого. Принципової різниці не буде, якщо скласти місток з окремих діодів.

 

При будь-якій полярності вхідної напруги два з діодів відкриваються, два закриваються. Розміщення діодів обирається для узгодження полярності. Як результат, обидва півперіоди сигналу проходять крізь місток – позитивний без змін, негативний зі зміною полярності. Двонапівперіодний випрямляч використовує повну енергію змінної напруги, тому саме він рекомендується для практичного використання.

Стабілізатори.

В найпростішому випадку стабілізатори являють собою фільтри низьких частот (ФНЧ). Вони пропускають постійну складову (частота 0) та не пропускають пульсації (частота яких, очевидно, більша нуля).

На рис. 3 наведена схема джерела живлення з стабілізатором у вигляді ФНЧ – конденсатора, включеного паралельно до навантаження.

 

 

Як видно з осцилограм напруги на навантаженні пульсації тим менші, чим більша ємність конденсатора. Найпростіший спосіб досягти бажаного рівня пульсацій – підібрати конденсатор потрібної величини.

Слід відзначити, що для вимірювання пульсацій використовується відносна величина

(1)

яку можна подавати і у відсотках. Наприклад, на осцилограмах на рис. 7.3 величина пульсацій становить відповідно 100% (), 50% (), 30%.

Аналогічно можна використати ФНЧ для двонапівперіодного випрямляча. Оскільки в ньому проміжок розряду конденсатора менший, для нього і величина пульсацій буде меншою при інших однакових параметрах.

 

 

Додаткова стабілізація досягається з використанням спеціальних параметричних стабілізаторів. Одним з таких є діод-стабілітрон (Zener diode). Схема його включення у двонапівперіодний випрямляч з ФНЧ наведена на рис. 7.4.

Аналогічно до ситуації з звичайними діодами, каталог моделей стабілітронів досить великий, проте, їх параметри не відповідають дійсності. У вікні параметрів стабілітрона слід переконатись у наявності реальних параметрів: Zener test voltage – напруга стабілізації та Zener test current – робочий струм. При розрахунку кола слід мати на увазі, що напруга генератора має перевищувати напругу стабілізації діода, а обмежувальний резистор R1 повинен забезпечувати струм в межах робочого значення.

Наприклад, для зазначеного на рис. 7.4 стабілітрона напруга стабілізації становить 5.1 В, робочий струм 0.049 А. Значить обираємо напругу генератора на рівні 20 В. Тоді обмежувальний резистор забезпечить середній струм

(2)

Обравши R1=400 Ом, забезпечимо струм в стабілітроні І=15/400 = 0,0375 А, що, по-перше, менше за граничне значення та, по-друге, співвимірне з ним.

Осцилограма напруг на навантаженні наведена на рис. 7.5. Як видно, на загальній осцилограмі пульсацій навіть не видно. Для їх виявлення вмикаємо режим АС роботи осцилографа та підсилюємо сигнал. З другої осцилограми визначаємо 2 клітинки ∙ 5 мВ/клітинку = 10 мВ. З першої осцилограми U = 5 В. Значить величина пульсацій становить Р = 0.01/5 = 0.2%.

 

Коефіцієнтом стабілізації параметричного стабілізатора називають величину, що визначається як відношення рівня пульсацій на вході та виході стабілізатора

. (3)

Для встановлення величини пульсацій на вході стабілізатора слід відключити осцилограф від виходу стабілізатор (див. рис. 7.4) та підключити його до конденсатора (на виході діодного містка) та виміряти відповідні значення напруги та її пульсацій.

ЗАВДАННЯ

1. Зібрати схему за рис. 7.1. Встановити відповідні режими роботи генератора та осцилографа.

2. Обрати величини напруги, частоти генератора, опору навантаження довільним чином. Отримати, визначити параметри та зарисувати осцилограму напруги на навантаженні.

3. Зібрати схему за рис. 7.2. Встановити відповідні режими роботи генератора та осцилографа.

4. Встановити величини напруги, частоти генератора, опору навантаження, обрані в п. 2. Отримати, визначити параметри та зарисувати осцилограму напруги на навантаженні.

5. Додати до схеми (рис. 7.2) ФНЧ. Підібрати ємність конденсатора таким чином, щоб величина пульсацій становила не більше 20 %. Записати відповідне значення ємності та точне значення величини пульсацій.

6. Додати до схеми параметричний стабілізатор (рис. 7.4). За необхідності змінити параметри генератора. Розрахувати величину опору R1 (формула 2). Досягти стабільного режиму роботи. Виміряти величину пульсацій на навантаженні та коефіцієнт стабілізації.

7. У звіті представити схеми з встановленими (обраними) параметрами, зарисовки осцилограм, розрахунки.

 

Лабораторна робота № 8