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

34 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

46497. Рroposition 17.62 KB
  Propositions show up in formal logic as objects of a formal language. A formal language begins with different types of symbols. These types can include variables, operators, function symbols, predicate (or relation) symbols, quantifiers, and propositional constants
46498. Эхинококкоз печени. Клиника, диагностика, методы хирургического лечение 17.71 KB
  Эхинококкоз печени. При перкуссии расширения границ печени.Периоды развития: латентный продромальных явлений прогрессивное увеличение печени период осложнений.
46499. Анализ прибыли предприятия 17.72 KB
  Прибыль предприятия характеризует превышение если наоборот то убыток выручки над расходами является главным показателем эффективности деятельности и отражает цель предпринимательства. В зависимости способа вычисления и направлений распределения различают такие основные виды прибыли предприятия: валовую балансовую прибыль операционную прибыль прибыль от обычной деятельности и прибыль после налогообложения чистую прибыль.Валовая балансовая прибыль Gross Profit разность между чистым доходом от реализации продукции и себестоимостью...
46500. Понятие и методы калькуляции затрат 17.86 KB
  Калькуляция служит основой для определения средних издержек производства и установления себестоимости продукции. Методы калькуляции это методы расчёта издержек производства себестоимости продукции объёма незавершённого производства основанные на калькуляции затрат. Попередельный метод калькуляции это метод исчисления себестоимости применяемый на предприятиях где исходный материал в процессе производства проходит ряд переделов или где из одних исходных материалов в одном технологическом процессе получают различные виды продукции....
46501. Техническое диагностирование. Этапы комплексной диагностики участков МТ. 17.87 KB
  Основными задачами контроля и диагностики МТ являются определение технического состояния на основе комплексного мониторинга в процессе создания и эксплуатации системы оценка и прогнозирование динамики технического состояния с целью обеспечения надежной и безопасной эксплуатации газотранспортной системы. Контроль и мониторинг технического состояния трубопроводных систем включает: получение информации в предэксплуатационный период ранняя диагностика из проектных материалов включая материалы изысканий лабораторных исследований грунтов...
46502. Диаграммы UML 17.91 KB
  Диаграммы UML. UML определяет следующие диаграммы: 1. Диаграммы применения use cse Или диаграммы вариантов использования Представляют собой граф из действующих лиц ctors и их взаимодействие с системой представленное сценариями применения. Диаграммы классов Cодержат набор статических декларативных элементов как например классы типы их связи объединенные в граф.
46503. Обеспечение электробезопасности техническими способами и СЗ 17.91 KB
  При случайном прикосновении для обеспечения электробезопасности применяют: защитные оболочки защитные ограждения временные или стационарные безопасное расположение токоведущих частей изоляцию этих частей и РМ малое U защитное отключение предупредительную сигнализацию блокировку и знаки безопасности; а при прикосновении к нетоковедущим металлическим частям защитное заземление зануление выравнивание потенциала защитное отключение изоляцию нетоковедущих частей электроразделение сети малое U контроль электроизоляции и СИЗ....
46504. Формы производственной деятельности фирмы 17.98 KB
  Различают три основные формы организации производства: Специализация Кооперирование Комбинирование Специализация производства Специализация производства выражается в том что каждое производство ограничивается изготовлением определённого вида конструктивной и технологически однородной продукции. Соответственно этому различают четыре вида специализации предприятий: предметную; подетальную иногда называют узловая; технологическую; по услугам вспомогательного производства. Подетальная специализация характеризуется...
46505. Природа грамматического значения: общая характеристика, отношение к лексическому значению, функциональный статус 18.04 KB
  Природа грамматического значения: общая характеристика отношение к лексическому значению функциональный статус. Большинство слов обладает двумя значениями: лексическим и грамматическим. В области морфологии это общие значения слов как частей речи напр. значения предметности у существительных процессуальное у глаголов а также частные значения словоформ и слов в целом противопоставляемые друг другу в рамках морфологических категорий например значения того или иного времени лица числа рода.