Лабораторная работа № 2 измерение вах полупроводниковых диодов

Цель

Освоить методику аналитического расчета и получения ВАХ полупроводниковых диодов в среде Workbench.

Задание

2.1. Для заданного в соответствии с вариантом полупроводникового диода собрать электрическую схему измерения и получить ВАХ для прямого и обратного включения диода неавтоматизированным и автоматизированным способом изменения входного напряжения.

2.2. Для прямой ветви «экспериментальной» ВАХ рассчитать средние значения теплового потенциала и обратного теплового тока диода и построить расчетную ВАХ. Результаты занести в таблицы и по этим данным построить графики «экспериментальной» и расчетной ВАХ совместно. Графики с маркерами строить в программе Excel.

2.3. Ответить письменно на контрольные вопросы и задания.

2.4. Найти погрешность построения ВАХ и сделать выводы, сравнивая результаты.

Общие сведения

В части 1 практикума (лабораторная работа № 3 «Изучение полупроводниковых диодов») даются основные сведения по конструкции и принципу работы полупроводниковых диодов, методике экспериментального измерения и аналитического расчета ВАХ.

2.1. Для получения смоделированной в Workbench «экспериментальной» ВАХ собираем схему измерения с неавтоматизированным ручным изменением входного напряжения E 1=var.

Примечание: в обозначении вольтметра U и амперметра I выделенная толстой линией сторона прямоугольника соответствует отрицательной клемме и может быть размещена как нужно вращением с помощью клавиш Ctrl+R или выбором Rotate по правой кнопке мыши.

 

Изменяя значения источника входного напряжения E 1 от 0 до +15 В для прямой и от –15 В до 0 для обратной ветви, не менее чем в
8 точках для каждой, получаем значения тока I и напряжения U на диоде. Результаты заносим в таблицу, по которой строим в Excel график с маркерами для «экспериментальной» ВАХ. Для примера на рисунке показана прямая ветвь «экспериментальной» ВАХ.

 

Прямая ветвь диода

 

Для изучения способа автоматизированного изменения входного напряжения E 1=var собираем следующую схему измерения «экспериментальной» ВАХ2:

 

Поясним новые дополнительные элементы.

Функциональный генератор Function Generator находится в меню Instruments – инструменты. Настройки параметров линейного изменения входного напряжения для снятия ВАХ производятся двойным нажатием мышки на обозначении функционального генератора и проиллюстрированы на схеме измерения (Function Generator).

Источник напряжения, управляемый током I–>U (значение напряжения в вольтах численно пропорционально току в амперах), находится в меню Sources. Им измеряется ток через диод. Для записи результатов используется 8-входовое устройство записи напряжений U 3. Предварительно это устройство настраиваем по нажатию правой кнопки мыши в Component Properties–Value–Browse: назначаем имя файла для сохранения (с расширением.TXT). В схеме измерения был выбран для примера файл e:\Program Files\Workbench\LR2.txt. После запуска и остановки тумблером ПУСК результаты сохраняются в табличном виде в файле с указанным именем в колонках время, U 1 (I–U) – ток через диод, U 2 – напряжение на диоде. Нумерация напряжений идет сверху вниз на устройстве для записи напряжений U 3. Из указанного файла выбираем возрастающие в первом цикле значения. Эти значения либо набираем в таблице Excel, либо, что быстрее, используем конвертер форматов в Excel для преобразования формата TXT в формат Excel. По табличным значениям строим график ВАХ2 с маркерами в Excel.

 

2.2. Расчетная ВАХ диода описывается следующим выражением:

 

, (2.1)

 

где I, U – ток и напряжение на диоде;

I ₀ – обратный (тепловой) ток через диод;

– тепловой потенциал.

Из линеаризованного выражения (2.1) получаем уравнение для расчета I ₀и :

 

; (2.2)

 

; (2.3)

 

; , (2.4)

 

где , , , – первая и вторая произвольные точки на ВАХ соответственно;

n – количество точек для усреднения.

Результаты заносим в таблицу.

 

№ п/п
мА	В	мА	В	В	мА
…	...	…	…	…	…	…	…	…

 

Подставляя вычисленные средние значения теплового потенциала и тока в выражение (2.1) для ВАХ, изменяем произвольно значение напряжения U на диоде, полученные значения I и соответствующее U диода заносим в таблицу

№ п/п	U, мВ	I, мА
	–800	…
	–700	…
	–600	…
…	…	…
	+800	…

 

По указанной таблице строим график расчетной ВАХ. Наносим его на график экспериментальной ВАХ, выделив для отличия формой или цветом линии.

2.3. Отвечаем письменно на контрольные вопросы и задания. На вопросы для самопроверки можно письменно не отвечать.

2.4. Погрешность оцениваем аналогично тому, как делалось в лабораторной работе № 1.

Содержание отчета

 

В отчете приводятся принципиальные схемы для снятия ВАХ, таблицы и графики выполнения указанных выше этапов задания, даются письменные ответы на контрольные вопросы и задания. Рекомендуется в отчете приводить рекомендации по выполнению наиболее сложных этапов работы.

Контрольные вопросы и задания

 

2.1. По ВАХ построить зависимость статического внутреннего сопротивления измеренного диода от напряжения на диоде: Линейно или нелинейно ?

2.2. Изобразить и подписать ВАХ германиевого и кремниевого диодов и стабилитрона.

2.3. Привести пример схемы устройства с использованием полупроводникового диода.

Вопросы для самопроверки

2.1. Что такое полупроводниковый диод, как он устроен?

2.2. Что такое точечные и плоскостные конструкции полупроводниковых диодов?

2.3. Что называется прямой и обратной ВАХ диода?

2.4. Чем отличается реальная ВАХ от идеальной ВАХ диода?

2.5. Как изменяется сопротивление полупроводниковых диодов при нагревании?

2.6. Как изменяется ВАХ при параллельном и последовательном соединении диода?

2.7. На какой ветви стабилитрон используют для стабилизации напряжения?

Литература

2.1. Карлащук, В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB / В.И. Карлащук. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 800 с.

2.2. http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=12066&p_
page=4 – сборник лабораторных работ, выполняемых с использованием программы Electronics Workbench. – Таганрог: ТРТУ, 2003. – 37 с.

2.3. http://www.ict.edu.ru/ft/004289/virtpr.pdf – виртуальный физический практикум.