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

72727. ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ И СМЕШАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 298.5 KB
  Изучение устройства двигателя постоянного тока, условий его пуска, реверсирования и исследование эксплуатационных свойств. Ознакомиться с лабораторной установкой. Записать паспортные (номинальные) данные электродвигателя.
72728. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ 290.5 KB
  Полупроводниковые стабилизаторы напряжения используются в основном для питания электронной аппаратуры. При их разработке нужно обеспечить две группы показателей: 1 максимальное выходное напряжение заданный диапазон регулирования выходного напряжения допустимую относительную...
72730. Создание простейшего прикладного приложения: калькулятор, просмоторщик рисунков, графический редактор, текстовый редактор, медиаплеер 4.9 MB
  Цель работы. Разработка приложений использующих главное меню формы всплывающего меню строки состояния панели инструментов быстрых кнопок с картинками подсказок к кнопкам а также стандартных диалогов открытия и сохранения файлов на примере создания приложения для просмотра графических файлов точечных рисунков.
72732. Изучение компонентов среды С++ Builder 6: TStringGrid (таблица строк), TMainMenu. Работа с массивами данных 264 KB
  Получение навыков работы с компонентами TStringGrid (таблица строк), TMainMenu (главное меню), программирования ввода матрицы смежности графа с помощью компоненты TStringGrid, разработки классов для решения задач на графах.
72733. История одного ордена (орден Отечественной войны) 75.5 KB
  Цель: Через знакомство с историей ордена Отечественной войны установить имена ветеранов Великой Отечественной войны проживающих в нашем поселке награжденных этим орденом. Актуальность: В 2011 году 22 июня весь наш народ вспоминал одну из самых трагичных страниц в истории России начало Великой Отечественной...
72734. История семьи в судьбе Отечества (вечер воспоминаний) 35 KB
  Цель: Затронуть патриотические чувства учащихся, сделать акцент на выборе доблестной и почетной профессии военного. Побуждать родителей делиться опытом о том, как в семье хранит память о старшем поколении, воспитываются моральные ценности, строятся отношения между поколениями, формируется отношение к окружающему миру.
72735. Бактерии полезные и вредные 42 KB
  Цель: выяснить какие бактерии полезные а какие вредные. Задачи исследования: выяснить где живут бактерии от чего зависит их жизнь какие бывают бактерии и микробы. Сидя перед телевизором часто слышу слова бактерии полезные бактерии вредные бактерии пробиотики пребиотики высказывания о различных йогуртах...