Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Робота 19. Дослідження напівпровідникового
стабілітрона
19.1. Мета роботи
Дослідним шляхом зняти вольт-амперну характеристику стабілітрона, визначити його параметри, порівняти з довідковими даними і дослідити вплив навантаження на точність стабілізації напруги стабілітроном.
19.2. Короткі теоретичні відомості
Стабілітронами називають напівпровідникові діоди, призначені для стабілізації напруги. Вони працюють при оберненому включенні, а їхні стабілізуючі властивості пояснюються особливістю зворотної вітки вольт-амперної характеристики (рис.19.1).
Рис.19.1.
Робочою ділянкою характеристики є відрізок АВ , що проходить майже паралельно до осі струму і відповідає режиму неруйнівного електричного пробою у стабілітроні. Як видно з рис. 19.1, в області електричного пробою спад напруги на стабілітроні Uст залишається практично постійним при значних змінах струму стабілізаці Iст.
Характер вольт-амперної характеристики стабілітрона в області електричного пробою пояснюється властивостями p-n переходу. При оберненій полярності прикладеної напруги електричне поле, яке створене джерелом живлення, накладається на поле переходу і посилює його. Внаслідок цього потенціальний бар'єр між областями зростає і p-n перехід закривається для основних носіїв. Однак, електричне поле переходу залишається прискорюючим для неосновних носіїв: електронів з p-області і дірок з n-області. Під дією поля неосновні носії вільно рухаються через перехід, створюючи невеликий зворотний струм. Оскільки концентрація неосновних носіїв низька, то зворотний струм швидко досягає насичення Iо і в певному інтервалі майже не залежить від величини прикладеної напруги. Це відповідає відрізку ОА оберненої вітки характеристики (рис. 19.1).
З ростом зворотної напруги зростають напруженість поля і кінетична енергія носіїв струму. При оберненій напрузі, близькій до Uст , починаються процеси електростатичної і ударної іонізації атомів напівпровідника. В результаті іонізації утворюються нові пари вільних електронів і дірок, які, в свою чергу, розганяються полем і утворюють зростаюче число носіїв струму. Ці процеси носять лавиноподібний характер, призводять до різкого зростання струму через перехід і називаються електричним пробоєм. В області стійкого електричного пробою значні зміни струму визиваються незначними змінами прикладеної напруги, що і пояснює хід ділянки АВ вольт-амперної характеристики стабілітрона. При зменшенні прикладеної напруги властивості p-n переходу відновлюються.
Вольт-амперна характеристика стабілітрона при прямому включенні нічим не відрізняється від характеристики звичайного напівпровідникового діода.
Явище електричного пробою супроводжується значним виділенням теплової енергії в зоні p-n-переходу. Неконтрольоване збільшення напруги може призвести до переростання електричного пробою у тепловий з повним руйнуванням p-n-переходу.
Основним матеріалом для виготовлення стабілітронів служить кремній, тому що він здатний витримувати більші теплові навантаження порівняно з германієм. Площинні стабілітрони виготовляють за сплавною або дифузійно-сплавною технологією. Для цього в пластинку кремнію n-типу вплавляють алюміній, який служить акцепторною домішкою для кремнію. Кристал з утвореним p-n-переходом поміщають в герметичний корпус. Стабілітрони виготовляються на напруги стабілізації від кількох вольт до кількох сотень вольт.
Добитися стабілізації напруги можна і на прямій вітці вольт-амперної характеристики. Стабілізуючі діоди, котрі працюють в області електричного пробою при прямому включенні, називають стабісторами. Характерною для стабісторів є низька напруга стабілізації, яка не перевищує трьох вольт.
Промисловістю випускаються також двоанодні стабілітрони, які стабілізують напругу обох полярностей.
Основними характеристиками стабілітронів є:
- напруга стабілізаціїUст - спад напруги на стабілітроні при номінальному значенні струму стабілізації;
- номінальний струм стабілізації Iст.ном - значення постійного струму , при якому визначається напруга стабілізації;
- мінімальний і максимальний струми стабілізації Icт.min і Iст.max - визначають межі допустимих значень струму стабілізації;
- диференціальний опір rд - відношення приросту напруги стабілізації до відповідного невеликого приросту струму стабілізації
; /19.1/
- температурний коефіцієнт напруги стабілізації Кt - відношення зміни напруги стабілізації до зміни температури при середньому значенні струму стабілізації Icт .ср
. /19.2/
Стабілітрони знаходять широке застосування в різноманітних пристроях електроніки, як джерела стабільної (опорної) напруги, наприклад, використовуються в параметричних стабілізаторах напруги.
Найпростіша схема параметричного стабілізатора напруги складається з баластного резистора Rб і стабілітрона VD, включених послідовно (рис. 19.2).
Рис.19.2.
При зміні струму в навантаженні вихідна напруга залишається практично незмінною, так як вона визначається спадом напруги на стабілітроні Uвих=Uст. Очевидно, що стабілізація напруги при зміні струму через стабілітрон можлива при зміні внутрішнього опору стабілітрона, тобто його параметру.
Ефективність роботи стабілізатора характеризується коефіцієнтом стабілізації, рівним відношенню зміни вхідної напруги до вихідної
. /19.3/
Для нормальної роботи стабілізатора струм у навантаженні повинен бути меншим від струму через стабілітрон Iн < Iст.
Для збільшення напруги стабілізації допускається послідовне з'єднання стабілітронів з однаковим струмом стабілізації. Паралельна робота стабілітронів не допускається через різні умови пробою. Після пробою одного із стабілітронів напруга стабілізується тому в іншому пробій може не відбутися.
19.3. Програма роботи
1. Зібрати схему дослідження стабілітрона.
2. Зняти вольт-амперну характеристику стабілітрона при прямому включенні напруги живлення Iпр = f(Uпр).
3. Зняти вольт-амперну характеристику стабілітрона при обернено-
му включенні напруги живлення Iзв = f(Uзв).
4. Зняти навантажувальну характеристику параметричного стабілі-
затора на основі стабілітрона.
5. Визначити коефіцієнт стабілізації параметричного стабілізатора.
6. За вольт-амперною характеристикою визначити основні пара-метри досліджуваного стабілітрона і порівняти їх з довідковими даними.
19.4. Опис схеми дослідження стабілітрона
Рис.19.3.
На рис. 19.3 наведена схема дослідження стабілітрона. На схемі: R1-резистор 470 Ом; VD1- стабілітрон КС157Ж; R2- резистор змінний - 47 Ом; SA1-тумблер; PA1-прилад Ц43101; PA2-прилад Ц43342; PV1- прилад Ф4373.
Схема дослідження стабілітрона наведена на рис.19.3. Живлення схеми здійснюється від стабілізатора + 15 В блока живлення БП. Баластний резистор R1 служить для обмеження струму стабілітрона при електричному пробої.
За допомогою ключа SA1 паралельно до стабілітрона приєднується опір навантаження R2 для дослідження стабілітрона у режимі параметричного стабілізатора напруги.
19.5. Порядок виконання роботи
1. На монтажній панелі з елементів набору складіть схему дослідження стабілітрона згідно з рис.19.3. Ручку регулювання напруги +15 В виведіть в ліве крайнє положення. У присутності викладача увімкніть блок живлення та вимірювальний прилад. Прослідкуйте, щоб вимикач SA1 був розімкнутий.
2. Змінюючи ручкою +15 В напругу живлення схеми Uж від мінімального значення до максимального ступенями в 2 В, зніміть пряму вітку вольт-амперної характеристики стабілітрона Iпр = f(Uпр). Дані занесіть у табл. 1.
Таблиця 1
|
Uж, В |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
|
Uпр, В |
|||||||||||
|
Iпр, В |
За даними табл. 1 побудуйте пряму вітку вольт-амперної характеристики.
3. Витягніть панель зі стабілітроном, розверніть на 180 і знову вставте у ті ж гнізда монтажної панелі таким чином, щоб напруга до стабілітрона була прикладена у зворотному напрямку.
Змінюючи напругу Uж ручкою +15 В блока живлення від мінімального до максимального значення ступенями у 2 В, зніміть обернену вітку вольт-амперної характеристики стабілітрона Iзв = f(Uзв). Дані занесіть у табл.2.
Таблиця 2
|
Uж, В |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
16 |
18 |
20 |
22 |
24 |
|
Uзв, В |
|||||||||||
|
Iзв, В |
За даними табл. 2 побудуйте зворотну вітку вольт-амперної характеристики стабілітрона.
4. Для зняття навантажувальної характеристики Uн=f(Iн) під'єднайте навантаження R2 за допомогою ключа SA1. Установіть напругу живлення схеми рівну 18 В. Плавно змінюючи величину резистора R2, встановлюйте струм у навантаженні Iн, рівний 5, 10, 15, 20, 25 mA, та вимірюйте величину напруги на навантаженні мультиметром. Дані занесіть у табл. 3.
Таблиця 3
|
Iн, mA |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
|
Uн, В |
За даними табл. 3 побудуйте навантажувальну характеристику параметричного стабілізатора.
5. Для визначення коефіцієнта стабілізації зафіксуйте струм у навантаженні, рівний 20 mA. Змініть напругу на вході схеми на 1 В та виміряйте зміну напруги на навантаженні. Дані занесіть у табл. 4.
Таблиця 4
|
Uвх, В |
Uвх, В |
Uвих, В |
Uвих, В |
Kст |
За даними табл. 4 розрахуйте коефіцієнт стабілізації стабілізатора Kcт .
6. За вольт-амперними характеристиками визначіть основні параметри стабілітрона і порівняйте з довідковими даними.
19.6. Контрольні запитання
1.Яке призначення стабілітронів?
2.Як класифікуються та позначаються стабілітрони?
3.Який вигляд має вольт-амперна характеристика стабілітрона і як вона пояснюється?
4.Які основні характеристики стабілітронів?
5.При якому включенні працюють стабілітрони?
6.В якому режимі працюють стабілітрони?
7.У чому полягає електричний пробій p-n-переходу?
8.Які особливості роботи стабісторів?
9.Як працюють двоанодні стабілітрони?
10. Наведіть приклади застосування стабілітронів?
228