Дослідження законів Ома для паралельного та послідовного з’єднань за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench

Мета. На практиці перевірити закони Ома для послідовного та паралельного з’єднання провідників.

 

Теоретичні відомості

Закон Ома – це закон, який встановлює зв’язок між падінням напруги на будь-якій нерозгалуженій (яка не містить вузлів) ділянці електричного кола та величиною струму , який протікає по цьому колу

, (А)

Цей зв’язок може бути виражений у вигляді математичного запису або у графічній формі для будь-якого елемента електричного кола. Графічна форма представлення закона Ома називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ).

Провідники у електричних колах можуть з’єднуватись послідовно та паралельно. При послідовному з’єднані провідників (рис. 1) сила струму у всіх провідниках однакова

 

(1)

 

Напруги та за законом Ома на провідниках рівні

 

(2)

 

Загальна напруга рівна сумі напруг і

 

(3)

 

де – електричний опір кола. Звідси випливає

 

 

Рис. 1. Послідовне з’єднання провідників

 

При паралельному з’єднані провідників (рис. 2) напруги та на обох провідниках однакові

 

(4)

 

Струм у колі дорівнює

 

(5)

 

Записавши на основі закона Ома

 

де – електричний опір кола, отримаємо

 

Рис. 2. Паралельне з’єднання провідників

 

Формули для послідовного та паралельного з’єднань дозволяють у багатьох випадках розрахувати опір складного кола, яке складається з багатьох резисторів. На рис. 3 наведено приклад такого складного кола та вказана послідовність розрахунків.

Рис. 3. Приклад розрахунку параметрів кола

 

Хід роботи

1. У відкритому вікні програмного забезпечення Electronics Workbench побудувати схеми електричних кіл, які зображені на рис. 1 та рис.2. Живлення кола здійснюється батареєю, 12 В.

2. Отримані дані показів вимірювальних приладів занести до таблиці 1.

3. Розрахувати загальні значення струмів та напруг та порявняти із експериментальними (значення опорів задаються викладачем).

4. Зробити відповідні висновки.

 

Таблиця 1. Дані досліджень та обчислень

	Послідовне з’єднання	Паралельне з’єднання

 

Контрольні запитання

1. Закон Ома для послідовного та паралельного з’єднань провідників

2. Методи розрахунків параметрів кола із послідовним, паралельним, послідовно-паралельним, паралельно-послідовним з’єднанням провідників

3. Особливості дослідження електричних схем за допомогою програмного забезпечення ELECTRONICS WORKBENCH

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ

Мета. Вивчити принципи дії та основні властивості напівпровідникових діодів. Дослідити їх вольт-амперні характеристики, ознайомитись з основними параметрами та використанням.

Теоретичні відомості

Випрямні діоди. Випрямні діоди призначені для перетворення Зміного струму в постійний. Вони є одним з найбільш розповсюджених типів напівпровідникових діодів. Основна властивість випрямних діодів – однобічна провідність, наявність якого визначає ефект випрямлення.

В основі структури випрямних діодів (рис. 1) лежить несиметричний p-n перехід, у якому розходження в концентрації основних носіїв у кожній з областей значно (p_p>>n_n або n_n>>p_p).

Рис 1. - Структура випрямного діода (а), його умовне графічне позначення (б)

 

При подачі прямої напруги на діод p-n перехід зміщається прямо і відбувається переважна інжекція дірок з емітеру в базу, утворюється дифузійний струм. При зворотній напрузі в p-n переході спостерігається екстракція неосновних носіїв, що визначає дрейфовий струм через перехід. Оскільки концентрація основних у р- і n- областях носіїв значно перевищує концентрацію неосновних носіїв, то і величина прямого і зворотнього струму у випрямних діодах відрізняється на кілька порядків (рис. 2)

Основні параметри випрямних діодів. Можливості напівпровідникового діода як випрямляча характеризують наступні електричні параметри (рис. 3):

1) U_пр – постійна пряма напруга на діоді при заданому значенні прямого струму, звичайно не перевищує 1В для германиевих і 2В для кремнієвих діодів. Ця величина зв'язана з величиною контактної різниці потенціалів, що у кремнію вище, ніж у германія.

2) I_пр – постійний випрямлений струм через діод при заданій прямій напрузі. По величині випрямленого струму діоди поділяються на діоди малої потужності (I_пр<0,3А), середньої (0,3<I_пр<10А) і великої (I_пр>10А) потужності. При великих I_пр у діоді внаслідок спадання напруги на ньому виділяється тепло. Тому випрямні діоди великої потужності відрізняються

Рис 2 - Вольт-амперні характеристики германієвого (а) і кремнієвого (б) діодів при різних температурах навколишнього середовища.

 

Рис. 3. - Вольт-амперна характеристика випрямного діода з позначенням параметрів.

 

від інших типів діодів великими розмірами корпуса і зовнішніх виводів, необхідних для тепловідвода. Ці діоди називають силовими і часто постачають спеціальними радіаторами, що дозволяють збільшити потужність, що розсіюється.

3) I_обр – зворотний струм, що протікає через діод при заданій зворотній напрузі, звичайно вказується для цілком визначеної температури, тому що сильно залежить від її. У германієвого і кремнієвого діодів I_обр розрізняються дуже сильно, що позначається різною шириною забороненої зони германія і кремнію.

4) R_диф – диференціальний опір діода, визначається як відношення збільшення напруги на діоді до його малого збільшення струму.

Як будь-який електронний прилад випрямний діод поряд з електричними параметрами характеризується гранично припустимими значеннями:

1) I_прmax – максимальний припустимий прямий струм, значення якого обмежується розігрівом p-n переходу.

2) U_обрmax – максимально припустима зворотня напруга, яку може витримати діод протягом тривалого часу без порушення його працездатності (до настання пробою p-n переходу). Кремнієві діоди дозволяють одержувати більш високі значення U_обрmax, тому що питомий опір власного кремнію (r_i » 10⁵ Ом*см) багато більше опору власного германія (r_i » 50 Ом*см)

3) P_max – максимально припустима потужність, що розсіюється діодом, залежить від габаритів, маси діода і його конструкції. У найбільш потужних діодів площа переходу доходить до 1см², а маса – до 15-20м, у малопотужних діодів площа переходів у 100 разів, а маса в 10 разів менше.

4) f_max – гранична частота, на якій може працювати діод, зберігаючи свою працездатність. При частотах великих f_max необхідно знижувати значення I_прmax, тому що накопичені за час прямого напівперіоду носії заряду не встигають розсмоктатися, і при зворотньому напівперіоді перехід якийсь час залишається прямо зміщеним, тобто утрачає свої випрямні властивості. Гранична робоча частота випрямного діода прямо зв'язана з ще одним важливим параметром – ємністю діода.

5) C_д – ємність діода, як правило, указується для високочастотних випрямних діодів і вимірюється між виводами діода при заданих напрузі і частоті. У С_д крім бар'єрної С_б і дифузійної С_диф входить також і ємність корпуса приладу С_к. У випадку, якщо ємність діода виявиться досить велика, на високій частоті буде сильно позначатися її вплив. Еквівалентна схема діода (рис. 4) пояснює це. З неї видно, що на високій частоті струм потече не через r_p-n, а через С_д (x_c << r_p-n), інакше кажучи, через ємність буде проникати змінна складового струму: діод утратить свої випрямні властивості.

Рис. 4 - Еквівалентна схема напівпровідникового діода.

 

Стабілітрони. Стабілітронами називають напівпровідникові діоди, на вольт-амперній характеристиці яких знаходиться ділянка зі слабкою залежністю напруги від струму, що протікає. Напруга на такому діоді U _сm залишається практично постійною при зміні струму в широких межах від I _{сm min} до I _{сm max} (рис.5, а). Робочу ділянку вольт-амперної характеристики стабілітрона вибирають у режимі електричного пробою p-n переходу, тобто пробій є нормальним режимом роботи стабілітрона.

Рис 1.5 Вольт-амперна характеристика стабілітрона (а) і його умовне позначення (б).

 

Параметри стабілітронів. Можливості стабілітрона характеризують наступні електричні параметри:

1) U _cm – напруга стабілізації, що є напругою пробою, звичайно визначається для деякого середнього значення струму в діапазоні від I _{сm min} до I _{сm max} і може трохи мінятися в цих межах. Напруга пробою стабілітрона, а значить напруга стабілізації, залежить від ширини p-n переходу або від концентрації домішок у базі діода. Тому різні стабілітрони мають напругу стабілізації від 3 до 400 В.

2) I _{cm min} – мінімальний струм стабілізації, визначає точку на ВАХ, де пробій здобуває стійкий характер (звичайно частки – одиниці ма);

3) I _{cm max} – максимальний струм стабілізації, визначається припустимою для даного приладу потужністю розсіювання, залежить від товщини p-n переходу і від конструкції приладу.

4) r_диф – диференціальний опір стабілітрона, характеризує якість стабілітрона, тобто його здатність стабілізувати напруга при зміні минаючого струму. Диференціальний опір визначається відношенням збільшення напруги до його збільшення струму, що викликана на робочій ділянці (рис. 5, а).

Оскільки для кращої стабілізації максимальним змінам струму повинні відповідати мінімальні зміни напруги, то якість стабілітрона тим вище, чим менше його диференціальний опір.

5) ТКН - температурний коефіцієнт напруги стабілізації, винятково важливий параметр опорного діода. ТКН характеризує температурні зміни напруги стабілізації і чисельно дорівнює відносній зміні напруги стабілізації при зміні температури на 1 °С.

Варикапи. Це напівпровідникові діоди, у яких використовується бар'єрна ємність замкненого p-n- переходу, що залежить від значення прикладеного до варикапа зворотної напруги. Зовнішня зворотна напруга, втягуючи електрони в глиб n-області, а дірки в глиб p-області, розширює p-n-перехід, і відповідно до виразу змінює бар'єрну ємність від параметра d. Основною характеристикою варикапа є залежність його ємності від значення зворотної напруги – вольт-фарадная характеристика (рис. 6).

Рис. 6. Графічне зображення та вольт-фарадна характеристика варикапу

 

Основними параметрами варикапів є номінальна ємність і діапазон її зміни, а також припустима зворотня напруга і потужність. Варикапи застосовуються для електричного налаштування коливальних контурів у радіоапаратурі.

Тунельні діоди. Так називають діоди, робота яких основана на тунельному ефекті, що спостерігається в p-n-структурі з настільки великим вмістом домішок, що напівпровідник здобуває властивості, близькі до металів. Явище, полягає в тім, що електрон, який має енергію, недостатню для подолання потенційного бар'єра p-n - переходу, усе-таки проходить через нього, якщо з іншої сторони бар'єра мається такий же вільний енергетичний рівень, що займав електрон перед бар'єром, називають тунельним ефектом.

Імовірність тунельного переходу тим вище, чим вужчий p-n- перехід і менше його потенційний бар'єр. У тунельних діодах завдяки високій концентрації домішок товщина p-n-переходу складає 0,01мкм, що в десятки разів менше, ніж у діодів інших типів, тому тунельний ефект у їх яскраво виражений і приводить до своєрідного виду вольтамперной характеристики (рис. 7).

Рис. 7 – Схема ввімкнення тунельного діода та його ВАХ

 

Тунельний діод не має однобічну провідність. Основні параметри тунельних діодів: піковий струм I_п і напруга піка U_п; струм западини I_в і напруга западини U_в; напруга розчину U_рр.

Позначення діодів у EWB виглядає наступним чином (рис. 8):

Рис.8 - Зовнішній вигляд меню Diodes

	– напівпровідникові діоди
	– стабілітрони
	– світлодіоди
	– випрямний міст
	– діод Шоткі
	– тиристори або диністори
	– симетричний диністор або діак
	– симетричний триністор або тріак

 

Розглянемо властивості діода, які задаються користувачем, для цього потрібно натиснути два рази лівою кнопкою мишки на діоді та в діалоговому вікні “Diode Properties” вибрати потрібний діод на закладці “Models”. Якщо потрібно змінити параметри то натисніть кнопку “Edit”. У діалоговому вікні, яке складається із двох однакових на зовнішній вигляд закладок (перша із них показана на рис. 9, друга показана на рис. 10), задати такі параметри діода:

Рис. 9 - Зовнішній вигляд меню для встановлення параметрів діода

 

Рис. 10 - Зовнішній вигляд меню для встановлення додаткових параметрів діода

IS – зворотний струм діода, А; RS – обємний опір, Ом; CJO - бар’єрна ємність p-n переходу при нульовій напрузі, Ф; VJ – контактна різниця потенціалів, В; TT – час переносу заряда, с; M – конструктивний параметр p-n переходу; BV – напруга пробою, В; для стабілітронів замість цього параметра використовується параметр VZT – напруга стабілізації; N – коефіцієнт інжекції; EG – ширина забороненої зони, еВ; XTI – температурний коефіцієнт струму насичення; KF – коефіцієнт флікер-шуму; AF – показник степеня в формулі для флікер-шуму; FC – коефіцієнт нелінійності бар’єрної ємності прямозміщеного переходу; ІBV –початковий струм пробою при напрузі BV, А; для стабілітронів замість цього параметра використовується параметр ІZT – початковий струм стабілізації; TNOM – температура діода, °С.

 

Хід роботи

1. У EWB побудувати схеми для дослідження прямої та зворотної гілки ВАХ діода

Дослідження прямої гілки ВАХ діода може бути проведено за допомогою схеми рис. 11. Для дослідження зворотної гілки ВАХ діода використовується схема на рис. 12

 

Рис. 11 - Дослідження прямої гілки ВАХ діода

 

Рис. 12 - Дослідження зворотної гілки ВАХ діода

 

2. Зняти прямі і зворотні гілки вольт-амперних характеристик трьох запропонованих випрямних діодів. Результати вимірів оформити у вигляді трьох таблиць, аналогічних таблиці 1, де номер відповідає одному з діодів.

3. За даними таблиць на одних осях побудувати сімейство вольт-амперних характеристик випрямних діодів. По графіках визначити, які характеристики належать високочастотним, низькочастотним германієвим і кремнієвим випрямним діодам. Обґрунтувати своє рішення.

4. Для кожного діода на лінійній ділянці прямої і зворотної гілки вольт-амперної характеристики виконати побудови для визначення прямого і зворотного диференціального опорів (рис. 13)

Рис 13. Визначення параметрів випрямних діодів

; ;

Контрольні запитання

 

1. Як побудований напівпровідниковий діод?

2. Які типи p-n переходів Ви знаєте?

3. Перерахуйте складові ємності p-n переходу?

4. Назвіть і коротко охарактеризуйте типи напівпровідникових діодів?

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4