Определение режима работы диода

В.И. Паутов

ПРИМЕНЕНИЕ ДИОДОВ

 

Методические указания по выполнению практических занятий

для студентов очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования специальности 210312.65

«Аудиовизуальная техника»

 

Екатеринбург

УДК 621.25

ББК 32.844.1

 

Рецензент: к. т. н., доцент, В.В. Муханов

 

Паутов В.И.

Применение диодов: Методические указания по выполнению практических занятий / В.И. Паутов. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2010
40 с.

 

Методические указания по выполнению практических занятий по дисциплине «Электроника» предназначены для студентов очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования специальности 210312.65 «Аудиовизуальная техника».

Методические указания содержат перечень литературы необходимой для выполнения практических занятий для студентов.

 

Рекомендовано НМС УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ» в качестве методических указаний по выполнению практических занятий по дисциплине «Электроника» для студентов специальности 210312.65 «Аудиовизуальная техника».

 

 

УДК 621.25

ББК 32.844.1

 

Кафедра общепрофессиональных дисциплин

технических специальностей

©УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

Пояснительная записка 4

Практическая работа 1

Определение режима работы диода 5

Практическая работа 2

Преобразование формы гармонического сигнала с помощью диода 12

Практическая работа 3

Применение специального диода – стабилитрона 15

Практическая работа 4

Определение параметров биполярного транзистора 21

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Методические указания по выполнению практической работы студентов по курсу "Электроника" составлены на основании государственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного специалиста по направлению 210300 – «Радиотехника», специальности 210312.65 «Аудиовизуальная техника».

Практическая работа студентов является неотъемлемой частью учебного процесса и входит в аудиторную учебную нагрузку студентов.

Цель практической работы состоит в более углубленном изучении студентами отдельных разделов программы курса.

Руководство содержит описания практических работ, в которых приведены цели работы, перечень литературы, порядок выполнения практических работ, примерные контрольные вопросы, обеспечивающие самостоятельную подготовку студентов к занятиям в аудитории. В каждом задании имеются альтернативные задачи.

Каждое описание практической работы содержит приложение, в котором изложен краткий основной теоретический материал по теме практической работы. На практических занятиях студенту необходимо иметь справочник по полупроводниковым приборам, а также калькулятор, имеющий функциональные клавиши для проведения практических расчетов.

Практические работы проходят с использованием моделирующего пакета Electronics Workbench.

Краткий теоретический материал, имеющийся в каждой работе, может быть использован студентами при подготовке к тестированию, зачету и экзамену.

Методическое пособие по выполнению практической работы может быть полезно и для студентов заочной формы обучения при выполнении контрольной работы.

Таблица 1. Перечень практических работ.

Наименование практических работ	Количество часов по учебному плану
Определение режима работы диода
Преобразование формы гармонического сигнала с помощью диода
Применение специального диода – стабилитрона
Определение параметров биполярного транзистора
Итого

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 1

Проведение измерений

1. Вызвать пакет анализа электронных схем Electronics Workbench.

Собрать схему согласно рисунку 3.

Тип диода выбрать из таблицы 2.
Для выбора диода щелкнуть по его изображению ЛКМ, в выпавшем меню (таблица слева) выбрать фирму изготовитель Motorol 1, из таблицы справа выбрать
диод.
Нажать клавишу Display. На появившейся вкладке отключить «галочку» Use Schematic.

Выйти из базы диодов.

Установить курсор на изображении источника тока, щелкнуть ЛКМ, в выпавшем меню активизировать Value, установить курсор в окно значений и с помощью правой клавиатуры установить 1 mA. Разряд переключается с помощью черных треугольников в окне значений. Далее «Ок».

Для выполнения моделирования схемы включить щелчком мыши кнопку питания схемы, находящуюся в правом верхнем углу экрана .

2. Записать показание вольтметра М1.

Задавая с помощью источника тока I прямой ток диода, измерять прямое напряжение на диоде с помощью вольтметра М1. Полученные результаты измерений свести в таблицу 3.

Повысить температуру диода до 57⁰С, повторить опыт.

После проведения измерений установить температуру 27⁰С.

Выключить моделирование.

 

Таблица 2. Исходные данные для проведения расчета и построения.

Вариант
R Ом
Е В	2.0	1.8	1.6	1.5	1.4	1.2	1.3	1.4	1.6	1.5	1.7	1.8
Тип диода	D1N4933	D1N3913	D1N4934	D1N3910	D1N5400	D1N3900	D1N5401	D1N3890	D1N5402	D1N3492	D1N5404	D1N5391

 

Таблица 3. Результаты измерений.

	I ПР мА
t = 27^0C	U ПР мВ
t = 57^0C	U ПР мВ

 

Моделирование схемы

Для проверки расчетов смоделируем расчетную схему рисунок 4.б.

Напряжение Е, сопротивление R и диод установить согласно расчетам и варианту.

Включить моделирование. Записать в протокол показания амперметра и вольтметра.

Нагреть диод и вновь записать показания приборов. Сравнить с расчетными значениями.

Сохранить схему в базе EWB.

Выключить моделирование.

Расчетные и измеренные значения токов и напряжений свести в таблицу 4.

6.6 Определить параметр диода

Вычислить сопротивление диода постоянному току в рабочей точке

R _ПР = U _ПР/ I _ПР

для «холодного» и «горячего» диода.

Сопротивление определить по данным построения и по данным измерений.

6.7 Определить коэффициент передачи нелинейной цепи для выбранной рабочей точки

К _U = U _Д/ E.

Таблица 4. Результаты измерений и расчетов.

Параметры	U ПР	I ПР	R ПР
Измеренные значения	t = 27^0C
t = 57^0C
Расчетные значения	t = 27^0C

 

7. Составить отчет по работе:

В отчете отразить:

7.1 Наименование и номер работы.

7.2 Цель работы.

7.3 Расчетные формулы, расчетную схему включения диода.

7.4 Результаты расчетов и измерений.

7.5 Ответы на контрольные вопросы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 2

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФОРМЫ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

1. Цель работы:

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 3

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 4

ПРИМЕНЕНИЕ ДИОДОВ

 

Методические указания по выполнению практических занятий

для студентов очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования специальности 210312.65 «Аудиовизуальная техника»

 

 

Подписано в печать __________

Формат бумаги 62×84 1/16, отпечатано на ризографе, шрифт №10

Печ. лист 2,96, тираж _____, заказ ______.

Типография УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»

 

620109, Екатеринбург, ул. Репина, 15

В.И. Паутов

ПРИМЕНЕНИЕ ДИОДОВ

 

Методические указания по выполнению практических занятий

для студентов очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования специальности 210312.65

«Аудиовизуальная техника»

 

Екатеринбург

УДК 621.25

ББК 32.844.1

 

Рецензент: к. т. н., доцент, В.В. Муханов

 

Паутов В.И.

Применение диодов: Методические указания по выполнению практических занятий / В.И. Паутов. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2010
40 с.

 

Методические указания по выполнению практических занятий по дисциплине «Электроника» предназначены для студентов очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования специальности 210312.65 «Аудиовизуальная техника».

Методические указания содержат перечень литературы необходимой для выполнения практических занятий для студентов.

 

Рекомендовано НМС УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ» в качестве методических указаний по выполнению практических занятий по дисциплине «Электроника» для студентов специальности 210312.65 «Аудиовизуальная техника».

 

 

УДК 621.25

ББК 32.844.1

 

Кафедра общепрофессиональных дисциплин

технических специальностей

©УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

Пояснительная записка 4

Практическая работа 1

Определение режима работы диода 5

Практическая работа 2

Преобразование формы гармонического сигнала с помощью диода 12

Практическая работа 3

Применение специального диода – стабилитрона 15

Практическая работа 4

Определение параметров биполярного транзистора 21

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Методические указания по выполнению практической работы студентов по курсу "Электроника" составлены на основании государственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного специалиста по направлению 210300 – «Радиотехника», специальности 210312.65 «Аудиовизуальная техника».

Практическая работа студентов является неотъемлемой частью учебного процесса и входит в аудиторную учебную нагрузку студентов.

Цель практической работы состоит в более углубленном изучении студентами отдельных разделов программы курса.

Руководство содержит описания практических работ, в которых приведены цели работы, перечень литературы, порядок выполнения практических работ, примерные контрольные вопросы, обеспечивающие самостоятельную подготовку студентов к занятиям в аудитории. В каждом задании имеются альтернативные задачи.

Каждое описание практической работы содержит приложение, в котором изложен краткий основной теоретический материал по теме практической работы. На практических занятиях студенту необходимо иметь справочник по полупроводниковым приборам, а также калькулятор, имеющий функциональные клавиши для проведения практических расчетов.

Практические работы проходят с использованием моделирующего пакета Electronics Workbench.

Краткий теоретический материал, имеющийся в каждой работе, может быть использован студентами при подготовке к тестированию, зачету и экзамену.

Методическое пособие по выполнению практической работы может быть полезно и для студентов заочной формы обучения при выполнении контрольной работы.

Таблица 1. Перечень практических работ.

Наименование практических работ	Количество часов по учебному плану
Определение режима работы диода
Преобразование формы гармонического сигнала с помощью диода
Применение специального диода – стабилитрона
Определение параметров биполярного транзистора
Итого

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ ДИОДА

1. Цель работы:

Изучить методы расчета режимов работы диода. Проверить результаты расчетов на электронной модели.

2. Литература:

2.1 Тырышкин И.С. Физические основы полупроводниковой электроники.
М.: Высш.шк. 2000.

2.2 Лачин В. И. Электроника: учеб. пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савёлов.

- Ростов-на-Дону: изд-во "Феникс" 2007.

2.3 Матвиенко В.А. Характеристики и параметры полупроводниковых приборов. Учеб. пособие. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007.

3. Задание:

3.1. Изучить приложение к данной работе.

3.2. Определить вольт-амперные характеристики диода.

3.3. Произвести расчеты токов и напряжений для схемы, представленной в приложении.

3.4. Ответить на контрольные вопросы.

3.5. Составить отчет по работе.

4. Содержание отчета:

4.1. Наименование и номер работы.

4.2. Цель работы.

4.3. Расчетные формулы, расчетные схемы включения диодов.

4.4. Ответы на контрольные вопросы.

5. Контрольные вопросы:

5.1. Чем обусловлено прямое и обратное сопротивления диодов.

5.2. Какие типы выпрямительных диодов Вы знаете.

5.3. Чем различаются дифференциальное сопротивление и сопротивление диода постоянному току.

5.4. В каких схемах применяется выпрямительный диод.

5.5. Как обозначается на схемах выпрямительный диод.

5.6. Основные параметры выпрямительных диодов.

5.7. Чем обусловлено влияние изменения температуры на характеристики и параметры диода.

6. Приложение:

6.1 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый прибор с р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (далее диод). Одна из областей
р-n-структуры (р+), называемая эмиттером, имеет концентрацию основных носителей заряда на несколько порядков больше, чем другая область, называемая базой.

Для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода справедлива следующая формула:

, (1)

где I ₀ – обратный ток насыщения,

φ _T – температурный потенциал.

Температурный потенциал

φ T =

,

где k – постоянная Больцмана;

T – температура по шкале Кельвина;

е – заряд электрона.

Температурный потенциал имеет размерность напряжения, и при комнатной температуре φ_T ≈ 26 мВ.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода приведена на
рисунке 1. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением (1).

 

 

Рис. 1. Статическая вольт-амперная характеристика диода

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс.

6.2Выпрямительные диоды

6.2.1 Выпрямительные диоды используют для выпрямления переменных токов частотой 50 Гц – 100 кГц. Основные параметры выпрямительных диодов даются применительно к их работе в однополупериодном выпрямителе с активной нагрузкой.

Среднее прямое напряжение U_пp.cp – среднее за период прямое напряжение на диоде при протекании через него максимально допустимого выпрямленного тока.

Средний обратный ток I_обр.ср – средний за период обратный ток, измеряемый при максимальном обратном напряжении.

Максимально допустимое обратное напряжение U_o6p.max – наибольшее постоянное (или импульсное) обратное напряжение, при котором диод может длительно и надежно работать.

Максимально допустимый выпрямленный ток I_{вп.ср max} – средний за период ток через диод (постоянная составляющая), при котором обеспечивается его надежная длительная работа.

6.2.2 Обозначение диодов

Диоды на принципиальных схемах обозначаются следующим образом. Выпрямительные и универсальные – рисунок 2. Один из электродов обозначается буквой А по аналогии с электровакуумными приборами – анод, другой – К – катод.

Если к аноду приложено внешнее положительное напряжение, а к катоду - отрицательное, то диод включен в прямом направлении и открыт. На диоде выделяется напряжение U _ПР и течет ток I _ПР = I _Д.

Если к аноду приложено отрицательное напряжение, то диод включен в обратном направлении и закрыт. В цепи течет обратный ток насыщения I ₀ (рисунок 1).

Обозначение диодов – КД101А – кремниевый диод малой мощности,

номер заводской разработки 01, разновидность внутри разработки - А.

 

 

Малая мощность означает, что прямой ток не должен превышать 0.3 А.

 

6.3 Определение вольт-амперных характеристик диода

6.3.1. Интерфейс создания схемы

Вызвать пакет анализа электронных схем Electronics Workbench (EWB) двойным щелчком по ярлыку . Он находится на рабочем столе компьютера и имеет имя .

Открывается окно EWB, содержащее ряд кнопок для выбора компонент схем и наборное поле, в котором размещается схема.

Для создания схемы нужно последовательно выбирать ее элементы и размещать их на наборном поле. Пассивные компоненты выделяются щелчком ЛКМ по кнопке , открывающей окно пассивных компонент. Компонент выбирается курсором мыши и перемещается на поле чертежа при нажатой левой клавише мыши. При необходимости вращение и отражение элементов схемы выполняется кнопками при условии, что элемент активизирован (окрашен в красный цвет). Для активизации элемента достаточно выполнить по нему щелчок ЛКМ.

Обязателен компонент «общая шина» , который выбирается из группы Sources (кнопка ). Измерительные приборы (амперметр и вольтметр) выбирают из группы Indicators .

После расстановки элементов на поле чертежа выполняется их соединение в соответствии со схемой. Для этого курсор мыши подводится к выводу элемента и, после появления индикатора захвата (черный кружок у вывода), нажимается ЛКМ и курсор перемещается ко второму из соединяемых выводов или фрагменту ранее проведенной цепи. После появления черного кружка ответа отпускается клавиша мыши.

Для удаления цепи следует встать курсором на цепь, щелкнуть левой клавишей, цепь активизируется. Нажать клавишу «Delete», затем – «Enter».

После удаления компонента из схемы соединительная линия может остаться «висящей» - удалить ее.

Для задания параметров компонент схемы (резистор, источник и др.) нужно выполнить двойной щелчок ЛКМ по изображению компонента и в открывшемся окне активизировать вкладку Value (значение). Установить курсор в окне значений, с помощью правой клавиатуры набрать необходимое значение (номинал). Для отображения на схеме номинала элемента и его номера нажать клавишу Display. На появившейся вкладке отключить «галочку» Use Schematic,
отметить «галочкой» Show values, нажать кнопку «ОK».
При вводе дробного значения необходимо использовать точку (не запятую).

Параметры приборов также устанавливаются в соответствующих окнах, открывающихся после двойного щелчка по изображению прибора.

Нумерацию компонент и приборов EWB выполняет по мере вывода их на наборное поле.

Для выполнения моделирования схемы включить щелчком мыши кнопку питания схемы, находящуюся в правом верхнем углу экрана (0‑выключено, 1–включено). Для остановки процесса без выхода из режима моделирования
нажать кнопку Pause.

Для установки нужной температуры следует войти в основное меню Analysis, выбрать опцию Analysis options. В открывшемся окне выделить вкладку Global и установить значение переменной Simulation temperature (TEMP) равное заданной температуре, например 60 degrees C. Значение температуры высвечивается в окне нижней строки экрана. Выполнив измерения установить прежнее значение температуры 27 degrees C.

Амперметр и вольтметр .

Дважды щелкнуть ЛКМ по изображению амперметра. В открывшемся окне установить внутреннее сопротивление 1 Ом. Нажать клавишу «ОК».

Аналогичную настройку выполнить для вольтметра, его внутреннее сопротивление по умолчанию установлено равным 1 МОм.

Проведение измерений

1. Вызвать пакет анализа электронных схем Electronics Workbench.

Собрать схему согласно рисунку 3.

Тип диода выбрать из таблицы 2.
Для выбора диода щелкнуть по его изображению ЛКМ, в выпавшем меню (таблица слева) выбрать фирму изготовитель Motorol 1, из таблицы справа выбрать
диод.
Нажать клавишу Display. На появившейся вкладке отключить «галочку» Use Schematic.

Выйти из базы диодов.

Установить курсор на изображении источника тока, щелкнуть ЛКМ, в выпавшем меню активизировать Value, установить курсор в окно значений и с помощью правой клавиатуры установить 1 mA. Разряд переключается с помощью черных треугольников в окне значений. Далее «Ок».

Для выполнения моделирования схемы включить щелчком мыши кнопку питания схемы, находящуюся в правом верхнем углу экрана .

2. Записать показание вольтметра М1.

Задавая с помощью источника тока I прямой ток диода, измерять прямое напряжение на диоде с помощью вольтметра М1. Полученные результаты измерений свести в таблицу 3.

Повысить температуру диода до 57⁰С, повторить опыт.

После проведения измерений установить температуру 27⁰С.

Выключить моделирование.

 

Таблица 2. Исходные данные для проведения расчета и построения.

Вариант
R Ом
Е В	2.0	1.8	1.6	1.5	1.4	1.2	1.3	1.4	1.6	1.5	1.7	1.8
Тип диода	D1N4933	D1N3913	D1N4934	D1N3910	D1N5400	D1N3900	D1N5401	D1N3890	D1N5402	D1N3492	D1N5404	D1N5391

 

Таблица 3. Результаты измерений.

	I ПР мА
t = 27^0C	U ПР мВ
t = 57^0C	U ПР мВ