Лабораторная работа 2. Исследование статических характеристик полупроводниковых диодов
1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р-n перехода.
2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для
полупроводникового диода.
3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике.
4. Анализ сопротивления диода (прямое и обратное смещение) на переменном и постоянном токе.
5. Измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики.
Теоретический материал
Одним из достоинств Elecrtronics Workbench является возможность смоделировать ситуации, возникающие при самых различных уровнях приборной оснащенности исследователя, и освоить методики измерения, соответствующие этим уровням. Рассмотрим эти ситуации на примере измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода. При помощи универсального прибора – мультиметр (который мы привыкли называть тестером) можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника.
Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме рис. 1.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины.
Ток диода при этом можно вычислять из выражения
Iпр = (Е – Uпр) / R, (1.1)
где Iпр – ток диода в прямом направлении;
Е – напряжение источника питания,
Uпр – напряжение на диоде в прямом направлении.
Рисунок 1.1- Схема для измерения напряжения на диоде при помощи мультиметра
Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 1.1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении:
Iоб = (Е – Uоб)/R, (1.2)
где Iоб – ток диода в обратном направлении;
Uоб – напряжение на диоде в обратном направлении.
Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если вы хотите получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо
сначала измерить напряжение в схеме рис. 1.1, а затем ток в схеме рис. 1.2. При
этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то
как вольтметр, то как амперметр.
Рисунок 1.2 - Схема для измерения тока на диоде, при помощи мультиметра
Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если у вас имеется и вольтметр, и амперметр. Тогда, включив их по схеме рис. 1.3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов. Вольтамперная характеристика может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания Vs.
Рисунок 1.3 - Схема для измерения тока и напряжения на диоде при помощи амперметра и вольтметра
И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рис. 1.4). При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной – току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1Ом численно равно току через диод в амперах (I = U / R = U / 1 = U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) – по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.
При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе 1 Ом. Ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде. Для более точного измерения напряжения можно измерять ток с помощью датчика тока.
Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока.
В ряде применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.
Рисунок 1.4 - Схема для исследования ВАХ диода при помощи осциллографа
Порядок выполнения работы
Измерение напряжения и вычисление тока через диод
Откройте файл (рис. 1.1) и включите схему. Мультиметр покажет напряжение на диоде Uпр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении. Запишите показания. Вычислите ток диода при прямом Iпр и обратном Iоб смещениях согласно формулам (1.1) и (1.2).
Измерение тока
Откройте файл (рис. 1.2) и включите схему. Мультиметр покажет ток диода Iпр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет ток Iоб диода при обратном смещении.
