13025

Выпрямительный диод

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа №2 Выпрямительный диод Цель работы: снятие основных вольт – амперных характеристик выпрямительных диодов и исследование влияния температуры на эти характеристики. 1. Общие сведения 1.1. Полупроводниковый диод Простейшим полупроводни

Русский

2013-05-07

1.1 MB

30 чел.

Лабораторная работа №2

«Выпрямительный диод»

Цель работы: 

снятие основных вольт – амперных характеристик выпрямительных диодов и исследование влияния температуры на эти характеристики.


1. Общие сведения

1.1. Полупроводниковый диод

Простейшим полупроводниковым прибором является диод. Он снабжен двумя электродами, называемыми анодом и катодом, и использует свойство односторонней проводимости (или вентильности) электрического перехода.

В качестве такого перехода наибольшее распространение получил p-n переход, образующийся в кристалле полупроводника на границе двух слоев,  один из которых характеризуется дырочной проводимостью (р-слой), а другой – электронной (n-слой). На границе слоев устанавливаются условия, препятствующие взаимному проникновению основных носителей заряда из одного слоя в другой.

Это объясняется тем, что при диффузии дырок, основных носителей заряда р-слоя, в n – слой и электронов, основных носителей заряда n-слоя, в р-слой по обе стороны границы образуются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов: пришедшие в n-слой дырки нейтрализуются электронами этого слоя, в результате чего создается избыток положительных зарядов, а пришедшие в р-слой электроны нейтрализуются дырками этого слоя, в результате чего создается избыток отрицательных зарядов.

Таким образом, нескомпенсированный положительный заряд в n-слое препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-слоя, а нескомпенсированный отрицательный заряд в р-слое препятствует диффузии электронов из n-слоя, то есть в p-n переходе создается потенциальный барьер.

Рис.1 Полупроводниковый диод: а- структурная схема, б- схемное обозначение

В диоде с p-n переходом анодный электрод соединен с р - слоем, катодный - с n- слоем, как показано на рис.1а. Схемное обозначение полупроводникового диода представлено на рис. 1б.

Вентильное свойство диода отражает его вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 2а. При положительном напряжении (анод находится под более высоким потенциалом, чем катод) диод открыт: под действием приложенного напряжения носители заряда преодолевают потенциальный барьер и через p-n переход протекает ток, который обусловлен переносом, главным образом, основных носителей заряда р-слоя, дырок. Падение напряжения на открытом диоде (участок I на рис.2а) мало и обычно не превышает одного вольта.

Рис. 2 Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

а - при различном масштабе токов и напряжения для прямого и обратного направлений, б - при одинаковом масштабе

При отрицательном напряжении (потенциал анода ниже потенциала катода) ток диода связан с переносом неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. Величина тока на несколько порядков меньше тока открытого диода, а напряжение в сотни раз больше. Этот факт отражен на рис. 2а разными масштабами на осях токов и напряжений для положительных и отрицательных значений параметров. Пренебрежимо малые токи при отрицательном напряжении  свидетельствуют о закрытом состоянии диода (участок II на рис. 2а).

На рис. 2б участки I и II вольт-амперной характеристики диода представлены в  одинаковом масштабе, когда можно пренебречь падением напряжения в открытом состоянии и протеканием тока – в закрытом. В первом приближении можно считать, что величина сопротивления открытого диода равна нулю, а закрытого - бесконечности.

Участок II вольт-амперной характеристики диода (рис. 2а) при увеличении отрицательного напряжения переходит в участок III, где имеет место сильный рост тока при незначительном увеличении напряжения. На этом участке в p-n переходе происходит электрический пробой, то есть лавинообразное увеличение тока. Характерной чертой такого пробоя является обратимость: при снятии напряжения и последующем его увеличении ход вольт-амперной характеристики не изменяется, прибор сохраняет свою работоспособность. Участок электрического пробоя вольт-амперной характеристики переходит в участок IV, где происходит тепловой пробой  p-n перехода, при котором нагрев кристалла приводит к разрушению перехода, в результате чего диод выходит из строя.

Участки I и II вольт-амперной характеристики на рис. 2а используются с целью выпрямления переменного напряжения, принцип которого можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на рис. 3а. На вход схемы подается переменное напряжение , которое представлено синусоидой на рис. 3б временной диаграммы. В интервале фаз  на анод диода подается положительное напряжение, а на катод – отрицательное. Диод находится в открытом состоянии, и через последовательно включенную с ним нагрузку протекает ток. Если считать нулевым сопротивление открытого диода, то все подводимое к нему напряжение оказывается приложенным к нагрузке, что отражено на рис. 3в. При отрицательном полупериоде входного напряжения (интервал фаз ) диод закрыт и через него в нагрузку напряжение не проходит. Таким образом, к нагрузке подводится только положительное напряжение , временная зависимость которого представлена на рис. 3в. Поскольку оно действует в течение одного полупериода входного напряжения, схема на рис. 3а является однополупериодной.

Рис.3 Однополупериодный выпрямитель: а – схема выпрямителя; б, в – временные диаграммы, иллюстрирующие его работу

Необходимо иметь в виду, что переход диода из закрытого состояния в открытое и наоборот происходит с задержкой во времени, что объясняется инерционностью процессов накопления необходимой концентрации заряда в области p-n перехода при его открытии и рассасыванием этого заряда при закрытии.

Рис. 4. а. Схема замещения полупроводникового диода.

б. Схема, иллюстрирующая образование двойного электрического слоя в закрытом p-n переходе

На рис. 4а приведена схема замещения p-n перехода, основного элемента диода, работающего на участках I и П вольт-амперной характеристики. Наличие в схеме ключа К отражает возможность пребывания перехода в двух состояниях. Положение «а» ключа соответствует открытому состоянию, в котором переход характеризуется весьма малой величиной сопротивления. Положение «б» ключа соответствует закрытому состоянию, в котором переход эквивалентен параллельному соединению активного сопротивления очень большой величины и емкости, получившей наименование «барьерной». Эта емкость отражает факт образования двойного электрического слоя в закрытом p-n переходе, что иллюстрируется рис. 4б, которым обусловлен потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей заряда через переход.  

Надежная работа выпрямительного диода обеспечивается лишь в том случае, если он работает при электрических параметрах, величины которых не превышают допустимые значения. Эти значения приводятся в справочных данных. Такими параметрами выпрямительного диода обычно считаются:

  •  максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, предшествующее развитию пробоя в приборе
  •  максимально допустимые значения среднего и импульсного токов, при которых не происходит перегрева прибора в открытом состоянии.

По уровню мощности диоды подразделяются на приборы  маломощные, средней и большой мощности. В маломощных диодах величина среднего тока не превышает 0,3А, в диодах средней мощности величины тока находятся в пределах 0,3 - 10А, а в диодах большой мощности величина тока может достигать 1000А и выше.

В режиме электрического пробоя при низких напряжениях диод может пребывать в течение длительного времени. Поэтому участок III на вольт-амперной характеристике полупроводникового диода на рис. 2а можно использовать для цели стабилизации напряжения. Такой режим реализуется в специальных диодах, получивших название стабилитронов. В этих приборах обеспечивается достаточно широкий интервал анодных токов, в котором величина напряжения практически не изменяется.

1.2. Температурные свойства  полупроводниковые диодов.

На электропроводимость  полупроводниковых диодов значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры увеличивается генерация пар носителей заряда, т.е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растёт.

На рис. 5. для германиевого диода (Ge). видно, что токи Iпр   и  Iоьр  растут. Это объясняется усилением генерации электронов и дырок. Для Ge диодов Iоьр возрастает примерно в два раза, при повышении температуры на каждые  десять градусов.

                                                                     Рис. 5

У Si диодов при нагреве на каждые 10 градусов Iоьр  увеличивается в 2,5 раза, а напряжение эл. пробоя сначала возрастает а затем снижается.

Iпр при нагреве растёт не так сильно, как обратное. Это является следствием того, что Iпр возникает главным образом за счёт примесной проводимости, а их концентрация не зависит от температуры.

2. Экспериментальная часть

Рис 6. Схема лабораторной установки

Элементы лабораторной схемы

  •  Диод Д226Б
  •  Потенциометр Б5К
  •  Резистор 2,4 кОм

Рис 7. Диод Д226Б

Таблица 1. Характеристика диода Д226Б

Тип диода

выпрямительный

Максимальное постоянное обратное напряжение,В

500

Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод) ток,А

0.3

Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток,А

0.3

Максимальное время восстановления ,мкс

-

Максимальное импульсное обратное напряжение ,В

600

Максимально допустимый прямой импульсный ток,А

-

Максимальный обратный ток,мкА

50

Максимальное прямое напряжение,В

1

при Iпр.,А

0.3

Рабочая частота,кГц

1

Общая емкость,Сд.пФ

-

Рабочая температура,С

-60...80

Способ монтажа

в отверстие

Корпус

kdu91

Производитель

Россия

Таблица 2. Прямая ВАХ диода Д226Б (при комнатной температуре)

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

1

4,86

0,64

2

3,34

0,62

3

2,23

0,6

4

1,59

0,58

5

1,09

0,56

6

0,6

0,52

7

0,42

0,5

Таблица 3. Обратная ВАХ диода Д226Б (при комнатной температуре)

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

1

1,078

6,14

2

1,073

6,09

3

0,97

5,55

4

0,94

5,37

5

0,76

4,36

6

0,732

4,17

7

0,539

3,07

8

0,29

1,69

Таблица 4. Прямая ВАХ диода Д226Б (T = 35˚C)

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

1

6,19

0,62

2

4,94

0,60

3

2,10

0,55

4

0,83

0,5

5

0,4

0,45

6

0,21

0,39

7

0,11

0,3

8

0,05

0,12

Таблица 5. Обратная ВАХ диода Д226Б (T = 35˚C)

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

1

2,69

9,4

2

2,18

8,6

3

2,09

7,33

4

1,74

6,1

5

1,45

5,1

6

1,15

4

7

0,89

3,1

8

0,59

2

9

0,31

1,6

10

0,17

0,58

11

0,08

0,2

Таблица 6. Прямая ВАХ диода Д226Б (T = 50˚C)

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

1

6,35

0,64

2

5,05

0,612

3

4,08

0,578

4

3,15

0,515

5

2,21

0,385

6

1,49

0,257

7

0,82

0,141

8

0,17

0,025

Таблица 7. Обратная ВАХ (t = 50˚C)

Значение тока, мА

Значение напряжения, В

1

2,64

9,2

2

2,4

8,4

3

2,12

7,4

4

1,85

6,4

5

1,55

5,4

6

1,26

4,4

7

0,97

3,4

8

0,69

2,4

9

0,42

1,4

10

0,29

1,0

11

0,19

0,6

12

0,12

0,4

График измеренной вольт – амперной характеристики диода Д226Б при разных температурных режимах приведен на рис. 8.

Вывод

В результате выполнения лабораторной работы были сняты вольт – амперные характеристики диода Д226Б при обычном режиме работы и при нагревании до температуры 35˚С и 50˚С.

Было установлено, что ток диода зависит от температуры окружающей среды. Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

У германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10ºC.

У кремниевых диодов при нагреве на каждые 10ºС обратный ток увеличивается в 2,5 раза, а напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, затем уменьшается.

Список литературы

  1.  Электротехника и основы электроники/ О.А. Антонова, О.П. Глудкин, П.Д. Давидов. Под ред. О.П. Глудкина, В.П. Соколова. – М.: Высшая школа, 1998
  2.  Жеребцов И. П. Основы электроники. – Л. Энергоатомиздат, 1999

3.  Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов / Ю.С.Забродин. М.: Высшая школа, 1982.

4.  Горбачев Г.Н. Промышленная электроника: учебник для вузов/ Г.Н.Горбачев, Е.Е.Чаплыгин. М.: Энергоатомиздат, 1988.

5.  Основы промышленной электроники: учеб. пособие для вузов/ под ред. В.Г.Герасимова. М.: Высшая школа, 1986.

6.  Артюхов И.И. Основы выпрямительной техники: учеб. пособие / И.И.Артюхов, М.А.Фурсаев.  Саратов: СГТУ, 2005.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80859. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВО: ТИПЫ ФЕДЕРАЦИЙ, СПЕЦИФИКА РОССИИ 88.5 KB
  Распределение власти по вертикали между уровнями Федерации, Субъектов Федерации, МСУ. Верховенство Конституции РФ, Федеральных законов над Конституциями, законами субъектов Федерации (только по предметам совместного ведения РФ и ее субъектов). Разделение властей
80860. ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТИКА И ГОСУДАРСТВЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ: ОБЩЕЕ И ОСОБЕННОЕ 48.88 KB
  Гос политика это целенаправленная деятельность органов государственной власти по решению общественных проблем доступностью и реализации общезначимых целей развития общества или его отдельных сфер. Она является средством позволяющим государству достичь определенных целей в конкретной области используя правовые экономические административные методы воздействия опираясь на ресурсы которые имеются в его распоряжении. Формирование и реализация госй политики обычно имеют 4 этапа политический цикл: 1й этап – опреде общественных...
80861. Структура федеральных органов исполнительной власти (ФОИВ) и Организация их деятельности 46.19 KB
  Функции ФОИВ руководство деятельностью которого осуществляет Президент РФ определяются указом Президента РФ. Функции ФОИВ руководство деятельностью которого осуществляет Правительство РФ постановлением Правительства РФ. Функции: выработка государственной политики и нормативноправовому регулированию в установленной актами Президента РФ и Правительства РФ сфере деятельности. Возглавляет входящий в состав Правительства РФ министр РФ федеральный министр; Он не вправе осуществлять функции по контролю и надзору правоприменительные...
80862. Особенности государственного устройства и органы власти субъектов РФ 48.73 KB
  Среди субъектов РФ различают виды: республики края области автономную область города федерального значения и автономные округа. Частями субъектами российского государства являются национальные государства республики всего их 21; государственнотерриториальные образования края 6 области 49 города федерального значения 2; национальногосударственные образования 1 автономная область и 10 автономных округов. иметь свои конституции госный язык и госную символику; КРАЯ ОБЛАСТИ ГОРОДА ФЕДГО ЗНАЧЕНИЯ автономная область...
80863. Государственная служба как социально-правовой институт 48.6 KB
  Социальное понятие государственная служба очень многогранно и в широком смысле слова под государственной службой как социальным институтом понимается: исторически сложившаяся устойчивая форма организации совместной деятельности лиц находящихся на службе государства; особый вид социальной практики нацеленной в конечном итоге на реализацию функций государства на обеспечение прав и свобод граждан на создание благоприятных социальных условий для их достойной жизни; функция особого социального слоя людей государственных служащих...
80864. Критерии эффективности государственного управления. Взаимодействие общества и государства 44.77 KB
  Взаимодействие общества и государства. Государственное управление – это практическое организующее и регулирующее воздействие государства на общественную жизнедеятельность в целях ее упорядочения сохранения или преобразования которое опирается на власть. Эффективность гос управления – соотношение достигнутого результата целей управления с затраченными на это ресурсами.
80865. Особенности разрешения конфликтов в системе государственного и муниципального управления 46.19 KB
  Управление конфликтами – процесс целенаправленного воздействия на персонал с целью устранения причин породивших конфликт и перевод конфликта в рациональное русло для достижения желаемых результатов. Управление конфликтами включает в себя: прогнозирование конфликтов предупреждение одних и стимулирование других прекращение и подавление конфликтов их регулирование и разрешение. Прогнозирование конфликта – представление о будущем конфликте с определенной вероятностью указания времени и места действий. культуры нетерпимой к конфликтам в...
80866. Понятие и основные теории местного самоуправления 47.27 KB
  МСУ составляет одну из основ конституционного строя РФ. МСУ в РФ форма осуществления народом своей власти обеспечивающая в пределах установленных Конституцией РФ федеральными законами а в случаях установленных федеральными законами законами субъектов РФ самостоятельное и под свою ответственность решение населением непосредственно и или через органы МСУ вопросов местного значения исходя из интересов населения с учетом исторических и иных местных традиций ФЗ. МСУ является первичным уровнем публичной власти и системы управления в...
80867. Местные интересы, роль и функции местного самоуправления в обществе 45.02 KB
  Ориентация на учет местных интересов предопределяет роль и функции местного самоуправления в современном обществе. Политологи разделяют общество на три основных сектора каждому из которых отведены своя роль и свои функции. Если под этим углом зрения взглянуть на местное самоуправление то можно сделать вывод что в современном обществе оно выполняет все три перечисленные функции.