Лабораторная работа № 2. Определение свойств, параметров, вольт - амперных характеристик кремниевого стабилитрона и их анализ.

1 Цель работы

Цель работы - достичь понимания свойств и параметров полупроводникового кремниевого стабилитрона, приобрести навыки экспериментального определения его вольт - амперных характеристик и их использования.

2 Задачи работы

2.1 Изучить теоретический материал по полупроводниковым кремниевым стабилитронам.

2.2 Выполнить экспериментальную часть работы в соответствии с программой и обработать результаты экспериментов.

2.3 По результатам проведенных работ оформить отчет и защитить его.

3 Программа работ

3.1 Ознакомиться с методическими рекомендациями по выполнению данной работы.

3.2 Изучить теоретические сведения по электрофизическим явлениях в кремниевых полупроводниковых стабилитронах, свойствам и параметрам полупроводниковых кремниевых стабилитронов по конспекту лекций по дисциплине "Твердотельная электроника" и литературе 1 - 4.

3.3 Подготовить формуляр отчета по лабораторной работе.

3.4 Ознакомиться с устройством лабораторного стенда и подготовить его к работе.

3.5 Снять прямые ветви ВАХ кремниевого стабилитрона.

3.6 Снять его обратные ветви ВАХ.

3.7 Построить графики полученных ВАХ.

3.8 Определить величины порогового напряжения, напряжения стабилизации и обратного тока.

3.9 Рассчитать по ВАХ зависимости статического R_c и динамического R_д сопротивлений от тока стабилитрона.

3.10 Определить по справочнику параметры номинального режима стабилитрона и для номинального тока построить схемы замещения.

3.11 Сравнить параметры исследованных стабилитронов с техническими условиями или со справочными данными.

3.12 Для простейшего параметрического стабилизатора, состоящего из последовательно соединенных источника напряжения с величиной электродвижущей силы (ЭДС) равной Е₀, нагрузочного резистора R_н = 1 кОм и исследованного стабилитрона, рассчитать величину коэффициента стабилизации такого параметрического стабилизатора при изменении Е в диапазоне +50% от величины Е₀. Ток стабилитрона при Е = Е₀ принять равным среднему току на рабочем участке полученной в эксперименте ВАХ.

3.13 Для цепи по п. 3.12 при Е = Е_о рассчитать и построить графики

3.14 Закончить оформление отчета и сделать выводы о степени соответствия исследованного стабилитрона техническим условиям.

3.15 Защитить отчет.

4. Методические рекомендации

4.1 При изучении теоретического материала обратить внимание на свойства полупроводникового кремниевого стабилитрона, особенности его ВАХ и методики экспериментального определения ВАХ на рабочем участке. Повторить графо-аналитические методы расчета режимов нелинейных цепей, а также условные обозначения элементов в электрических цепях и их буквенные обозначения по действующим ГОСТам.

4.2 Работа выполняется на модернизированном лабораторном стенде 87Л-01 "ЛУЧ". При выполнении экспериментальной части лабораторной работы необходимо использовать сменный планшет №2. Рекомендуемые приборы: 1) генератор тока (ГТ 0-10 мА) и генератор напряжения (ГН2 0,5 - 15 В), находящиеся на нижней панели стенда, 2) мультиметры, находящиеся на правой и левой панелях стенда, 3) кремниевый стабилитрон (образец выдает лаборант), 4) соединительные провода.

4.3 Прямая ветвь ВАХ снимается по схеме, приведенной на левой части планшета (рисунок 1), обратная ветвь - по схеме на правой части (рисунок 2). Для точного получения результатов при малых значениях измеряемых величин необходимо устанавливать переключатели приборов на как можно меньшие диапазоны измерения.

Рисунок 1 – Схема стенда для снятия вольт – амперных характеристик стабилитрона в прямом включении

4.4 При снятии прямых ветвей ВАХ необходимо обратить внимание на полярности источников и приборов, указанные на левой схеме планшета и собрать схему в строгом соответствии с этими полярностями. Далее надо поставить переключатель одного мультиметра в положение 2 В, а переключатель второго - в положение 20 мА. Подключить стенд. Установить рукоятки ГТ "ГРУБО" и "ТОЧНО" в крайнее левое положение.

Рисунок 2 - Схема стенда для снятия вольт – амперных характеристик стабилитрона в обратном включении

4.5 После проверки собранной схемы лаборантом включить стенд, поставив включатель «Сеть» в положение "I". При этом должна загореться подсветка включателя. Вращая рукоятки "ГРУБО" и "ТОЧНО" генератора тока, снять показания приборов в 10 -12 точках. Максимальное значение задаваемого тока - 10 мА - превышаться не должно. Затем отключить стенд от сети, а полученные значения токов и напряжений занести в таблицу для прямой ветви.

4.6 При снятии обратных ветвей ВАХ необходимо собрать схему на правой части планшета стенда (рисунок 2), соблюдая указанные на ней полярности приборов и источников. Поставить переключатель одного из мультиметров перевести в положение 20 В", переключатель второго - в положение "20 мА". Установить рукоятки ГН2 "ГРУБО" и "ТОЧНО" в крайнее левое положение.

4.7 После проверки собранной схемы лаборантом или преподавателем включить стенд включателем «Сеть» в положение "I". При этом должна загореться подсветка включателя.

4.8 Увеличивая ток от 0 мА до 10 мА с помощью рукояток "ГРУБО" и "ТОЧНО" генератора напряжения ГН2, снимать показания мультиметров в 10-12 точках с интервалом по току 1 мА на рабочем участке ВАХ исследуемого стабилитрона. Отключить стенд тумблером питания. Занести в таблицу полученные значения токов и напряжений. Построить в первом приближении черновые графики полученных ВАХ и показать их преподавателю. Разобрать схему. Сдать соединительные провода и сменные элементы лаборанту.

4.9 Построить точные графики полученных ВАХ. Поскольку масштабы токов и напряжений на осях графиков прямых и обратных ветвей ВАХ различны, то рекомендуется прямые и обратные ветви ВАХ строить на отдельных графиках, причем на отдельном графике необходимо отобразить рабочий участок ВАХ стабилитрона в виде графика зависимости приращения напряжения от тока.

4.10 При оформлении отчета руководствоваться требованиями к оформлению отчетов по лабораторным работам кафедры «Промышленная электроника».

5 Содержание отчета

Отчет должен содержать следующие разделы:

цель и программа работ,

описание методики, принципиальной электрической схемы для определения ВАХ стабилитрона с приведением всех используемых приборов, разъемов и их буквенных обозначений, а также таблиц со значениями экспериментальных данных,

графики ВАХ стабилитрона с определенными графически пороговыми напряжениями и напряжениями и токами стабилизации,

расчет зависимостей Rc и Rд от тока стабилитрона, графики этих зависимостей и схемы замещения стабилитрона для номинального тока,

справочные данные исследуемого стабилитрона и эскизы с указанием названия электродов,

расчет коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора по п.3.12,

выводы по работе,

список литературы, использованной при проведении работы.

6 Вопросы для самоконтроля

6.1 Вопросы для допуска к выполнению лабораторной работы.

В чем заключается цель лабораторной работы?

Какие приборы используются при выполнении лабораторной работы?

Как определяется прямая ветвь ВАХ стабилитрона?

Как определяется обратная ветвь ВАХ стабилитрона?

Какие пределы измерения выставляются на приборах при определении прямой и обратной ветвей ВАХ диода?

Какой максимальный ток выставляется при определении прямой ветви ВАХ диодов и какова методика определения обратной ветви ВАХ стабилитрона ?

6.2 Вопросы для защиты лабораторной работы

В чем заключается принцип действия стабилитрона и особенности физических процессов в нем при различных смещениях?

Какова причина возникновения участка стабилизации напряжения на обратной ветви ВАХ стабилитрона?

Чем различаются ВАХ германиевого, кремниевого диодов и кремниевого стабилитрона?

Как и почему изменяются характеристические сопротивления стабилитрона?

Каковы области применения стабилитронов и технологии их изготовления?

В чем заключаются методики проведения экспериментальной и расчетной частей лабораторной работы?

Какими параметрами характеризуются кремниевые стабилитроны?

Как стабилитроны маркируются и обозначаются в схемах электрических цепей?

Каковы схемы замещения диодов?

Чем стабилитроны отличаются от стабисторов?

Что такое температурный коэффициент стабилизации?

Каковы способы повышения температурной стабильности параметров стабилитронов?

7 Приложение