ВАХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА
РЕЗИСТОРЫ, КОНДЕНСАТОРЫ
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Резисторы
Резисторы относятся к наиболее распространенным деталям радиоэлектронной аппаратуры. На их долю приходится от 20 до 50%, т. е. до половины общего количества радиодеталей в устройстве. Принцип работы резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему току. Резисторы характеризуются следующими основными параметрами:
Номинальное значение сопротивления. Измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегаомах (МОм). ,
Номинальные значения сопротивлений указывают на корпусе резистора. Номинальное значение сопротивления соответствует значению из стандартных рядов сопротивлений, приведенных в приложении 1.
Допустимое отклонение действительного сопротивления резистора от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности. Наиболее широко используются три класса точности: I – допускающий отклонение сопротивления от номинального значения на ± 5%, II – на ±10%, III – на ±20%. В современной РЭА часто применяют резисторы с повышенной точностью сопротивления, они выпускаются с допусками (%): ±2; ±1; ±0,5; ±0,2; ±0,1; ±0,05; ±0,02; ±0,01 и т. д.
Номинальное значение мощности рассеивания резистора Rном. Этот параметр измеряется в ваттах (Вт). Это наибольшая мощность постоянного или переменного тока, при протекании которого через резистор он может работать длительное время без повреждений. Мощность Рном, ток I, протекающий через резистор, падение напряжения U на резисторе и его сопротивление R связаны зависимостью: P=UI U=IR. В большинстве устройств РЭА применяют резисторы с номинальной мощностью рассеивания от 0,125 до 2 Вт.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора. Характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1°С и выражается в процентах. В резисторах ТКС незначительный и составляет в среднем десятые доли – единицы процента.
Электродвижущая сила (ЭДС) собственных шумов. Собственные шумы резистора возникают за счет неупорядоченного движения части электронов при приложенном к нему напряжении. ЭДС собственных шумов (Еш) измеряется в микровольтах на вольт приложенного напряжения (мкВ/В). Эта величина для резисторов также незначительная и составляет единицы микровольт на вольт.
Собственная индуктивность и емкость резисторов. Определяются габаритными размерами, конструкцией и влияют на частотный диапазон применения резисторов.
Резисторы используют для ограничения силы тока в цепях, для создания на отдельных участках схем необходимых падений напряжений, для различных регулировок (громкости, тембров и т. д.) и еще во многих случаях.
Условно-графическое обозначение резисторов и схемы соединения
Согласно ГОСТ2.728-74, УГО постоянного проволочного резистора имеет следующий вид:
Рис. 1. УГО проволочного резистора
Существуют два основных вида схем включения резисторов – последовательное включение резисторов и параллельное.
При последовательном включении резисторов их эквивалентное сопротивление будет равно сумме всех отдельных сопротивлений
При параллельном включении резисторов их эквивалентное сопротивление можно рассчитать по формуле
.
Конденсаторы
Электрическим конденсатором называют устройства, предназначенные для накопления электрического заряда.
Принцип действия конденсатора основан на накоплении электрического заряда между двумя близко расположенными проводниками. Такие проводники так же называются обкладками. В зависимости от типа диэлектрика, который разделяет обкладки различают виды конденсаторов.
К основным параметрам конденсатора относят:
Электрическая номинальная емкость – способность конденсатора накапливать на обкладках электрические заряды под воздействием электрического поля. Номинальная емкость указывается на конденсаторе или в сопроводительной документации, выбирается в соответствии с установленным рядом. Измеряется в фарадах [Ф], однако 1Ф достаточно крупная величина, поэтому значение обычных конденсаторов употребляется с приставками нано- (10–9), микро- (10–6), мили- (10–3).
Допустимое отклонение действительного емкости конденсатора от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – относительное изменение емкости конденсатора под действием температуры. Под действием температуры обкладки конденсатора меняют свои геометрические размеры, изменяется расстояние между ними и значение диэлектрической проницаемости диэлектрика, поэтому изменяется и значение емкости конденсатора. Для всех конденсаторов данная зависимость нелинейная, однако, в зависимости от типа диэлектрика, для некоторых она приближается к линейной.
Номинальное напряжение U – максимально допустимое значение постоянного напряжения (или суммы постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей) при котором конденсатор может работать в течении всего гарантированного срока службы при нормальной температуре.
Условно-графическое обозначение конденсаторов и схемы соединения
Согласно ГОСТ2.728-74на принципиально-электрических схемах конденсаторы обозначаются:
Рис. 2. УГО конденсатора
Существуют два основных вида схем включения конденсаторов – последовательное и параллельное.
При параллельном включении конденсаторов их емкость складывается по формуле
.
При последовательном включении конденсаторов их эквивалентную емкость можно рассчитать по формуле
.
Маркировка резисторов и конденсаторов
Маркировка резисторов
Согласно ГОСТ 28883-90 – промышленно выпускаемых резисторах применяется следующие системы маркировок:
Буквенная полная
Параметры и характеристики, входящие в полное условное обозначение резистора, указываются в следующей последовательности: номинальная мощность рассеяния, номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения, допускаемое отклонение сопротивления в процентах (%), функциональная характеристика, обозначение конца вала и длинны выступающей части вала.
Пример полного условного обозначения постоянного непроволочного резистора с регистрационным номером 4, номинальной мощностью рассеяния 0,5 Вт, номинальным сопротивлением 10 кОм, с допуском ±1%, группой по уровню шумов А, группы ТКС – Б, все климатического исполнения В.
Р1-4‑0,5‑10кОм±1% А-Б-В ОЖО.467.157 ТУ
Буквенные сокращения
Ввиду того что полное условное обозначение занимает значительное место на корпусе резистора, то его применение не всегда возможно и удобно, поэтому было введено сокращенное буквенное обозначение в состав которого входит обозначение номинального сопротивления и допускаемого отклонения. Номинальное сопротивление обозначается в виде кода. Кодированное обозначение номинального сопротивления состоит из трех или четырех знаков, включающих в себя две или три цифры и букву латинского алфавита. Буква кода из русского или латинского алфавита обозначает множитель, составляющий сопротивление, и определяет положение запятой десятичного знака. Буквы R, K, M, G, T обозначают соответственно множители 1, 103, 106, 109, 1012. Примеры кодированных обозначений номинального сопротивления выглядят следующим образом: 215 Ом – 215R, 150 кОм – 150K,2,2 Мом – 2M2,6,8 ГОм – 6G8,1 ТОм – 1T0 Кодированное обозначение допускаемого отклонения состоит из буквы соответствующей отклонению в %. Значение букв кодировки приведено в приложении 2.
Помимо описанной выше кодировки в промышленно выпускаемых резисторах применяется цветовая кодировка.
Маркировка конденсаторов
Краткая буквенная маркировка конденсатора выполняется по аналогичным правилам, что и маркировка резисторов. Номинальная емкость конденсатора выражается с помощью 3-4 чисел и кодового обозначения множителя. Принято использовать следующие буквы p, n, μ, m, соответствующие множителям пико- , нано-, микро-, мили- фарад.
Пример маркировки конденсатора: p10 – 0.1пФ; 1μ5 – 1.5мкФ.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ:
ВАХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО ДИОДА
Сравнение характеристики реального диода с характеристикой идеального p-n перехода.
Известно, что статическая ВАХ идеализированного полупроводникового диода описывается выражением:
,
где I – ток диода; U – приложенное к нему напряжение; Is – ток насыщения, определяемый параметрами p-n перехода; kT/q – тепловой потенциал (kT/q =0,0259 В при Т=300К).
Вид характеристики описанной данным выражением представлен на рис. 3.
Рис. 3. ВАХ идеального p-n перехода.
При изображении ВАХ масштаб по осям прямых и обратных напряжений выбирается разным, так как эти значения различаются на порядки. Разные масштабы создают впечатление излома характеристики в нулевой точке, в действительности же ВАХ является дифференциально-гладкой. На прямой ветви характеристики зависимость тока от напряжения носит экспонентациальный характер, а после прохождения напряжение через пороговое значение Uпр дальнейшее изменение напряжения на десятые доли вольта вызывает значительное изменение тока через диод.
Единственный параметр ВАХ, связанный с физико-конструктивными параметрами и геометрическими размерами активной области диода, является ток насыщения Is.
где q – заряд электрона; ni – собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике; NDb и Lpb – коэффициент диффузии и диффузионная длинна неосновных носителей в ней; Wb – толщина базы; F – площадь p-n перехода.
ВАХ реального диода отличается от характеристики идеального p-n перехода в силу ряда причин:
· Рекомбинации и генерации дырок и электронов в ОПЗ перехода
· Падения напряжения на объемном сопротивлении базы
· Появления эффектов высокого уровня инжекции при больших токах
· Наличия токов утечки через p-n переход
· Начала пробоя на обратной ветви ВАХ
· Неоднородного легирования базы
· Разогрева p-n перехода выделяемой мощностью
Перечисленные эффекты приводят к тому, что ВАХ диода описывается только качественно.
Обратная ветвь ВАХ образуется суммой трех составляющих:
тока насыщения Is, тока термогенерации в ОПЗ p-n перехода IG и тока утечки Iут. Соотношение между этими составляющими для диодов из разных полупроводниковых материалов различно
Ток термогенерации в p-n-переходе описывается формулой
где δ – ширина p-n-перехода; τpn – эффективное время жизни, характеризующее темп генерации электронно-дырочных пар в ОПЗ перехода. Ток зависит от приложенного обратного напряжения через зависимость δ(U).
Ток утечки обусловлен проводящими каналами внутри p-n-перехода и на поверхности кристалла. Он зависит от площади и периметра перехода и ряда других факторов и имеет примерно линейную зависимость от обратного напряжения.
Прямая ветвь ВАХ реального диода сохраняет экспоненциальную зависимость тока от напряжения, поэтому ее можно описывать выражениями типа:
где I0и m– параметры характеристики, которые могут изменяться на различных участках ВАХ.
Сравнение характеристик диодов из различных
материалов
Исследуемые в работе диоды выполнены из различных полупроводниковых материалов, но имеют примерно одинаковые физико-конструктивные параметры. Отличие их характеристик связано с отличием параметров:
· Ширины запрещенной зоны
· Подвижности носителей заряда
· Время жизни носителей заряда и др.
Наибольшее влияние на различие параметров оказывает разница в значениях ширины запрещенной зоны Eg. Она определяет собственную концентрацию носителей заряда ni которая входит в выражение параметров ВАХ.
Значение ширины запрещенной зоны Eg и ni приведены в приложении 3.
Токи насыщения всех диодов, кроме германиевого, очень малы и составляют единицы наноампер, поэтому основным компонентом обратного тока этих диодов является ток утечки. Основное отличие прямых ветвей ВАХ различных диодов заключается в различном значении тока насыщения. В приложении 3 приведены значения UПР полученные теоретическим путем у реальных диодов оно может отличаться по ряду причин, в основном из-за падения на объемном сопротивлении базы.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Для исследования вольтамперной характеристики реального диода студентам необходимо произвести сборку схемы эксперимента
Рис. 4. Схема эксперимента
В качестве милиамперметра и вольтметра могут быть использованы цифровой осциллограф либо цифровые мультиметры. В качестве источника используется управляемый источник напряжения на учебном стенде NI ELVIS. В целях обеспечения бесперебойной работы генератора стенда в цепь необходимо включить ограничивающее сопротивление R, значение которого студентам необходимо рассчитать, используя параметры стенда.
После сборки схемы и её проверки преподавателем, студентам необходимо произвести серию экспериментов. Путем регулировки значения напряжения на выходе с генератора и записью показаний приборов в таблицу.
Дата добавления: 2016-07-05; просмотров: 2926;