Краткие теоретические сведения

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

(ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»)

Воткинский филиал

 

 

М.А. СВЯТСКИЙ

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

К выполнению лабораторных работ

по дисциплине (разделу) “Электроника”

 

для студентов специальностей:

160400, 160801 – Ракетостроение,

151001, 151901 – Технология машиностроения,

230101 – Автоматические системы обработки информации и управления.

 

ИЖЕВСК

УДК 621.382

C 25

Методические указания

К выполнению лабораторных работ

по дисциплине (разделу) “Электроника”

 

для студентов специальностей:

160400, 160801 – Ракетостроение,

151001, 151900 – Технология машиностроения,

230101 – Автоматические системы обработки информации и управления.

 

- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2013. - 68 с.

 

Составитель М.А. Святский, к.т.н., доц.

 

Рецензент Ф.А. Уразбахтин, д.т.н., профессор каф. Ракетостроения ВФ ИжГТУ.

 

Рекомендовано к изданию на заседании кафедры “Ракетостроение”

Воткинского филиала ИжГТУ от 10.02.2013 (протокол № __).

 

В методических указаниях для лабораторных работ по дисциплине (разделу) “Электроника” кратко изложены теоретические положения, приведены описания лабораторных работ и даны общие рекомендации к их выполнению.

 

©Издательство ИжГТУ, 2013

©М.А. Святский

ВВЕДЕНИЕ

 

Методические указания содержат рекомендации по проведению лабораторных работ по дисциплине (разделу) “ Электроника ”.

Цель пособия:

– научить студента исследовать принципы работы простых электрических схем и проводить экспериментальные измерения параметров элементов цепей;

– научить студента проводить аналитические расчеты параметров цепей, используя законы и теоретические знания по изучаемой теме, а также знания математики;

- научить студента строить графические зависимости (вольтамперные и амплитудно-частотные характеристики) на основе измеренных параметров;

- научить студента уметь оценивать погрешности между измеренными и аналитически полученными параметрами и делать выводы по полученным результатам.

Методические указания построены по принципу деления на изучаемые темы:

1) исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов;

2) исследование статических параметров схем выпрямителей трех типов;

3) исследование вольтамперных характеристик биполярных транзисторов;

4) исследование амплитудно-частотных характеристик схем усилителей;

5) исследование параметров операционных усилителей и схем на их основе;

6) исследование схем автоматики на основе VT и операционных усилителей;

7) исследование принципа работы элементов ТТЛ и комбинационных схем;

8) исследование работы элементов синхронизации и последовательностных схем.

Темы подобраны в соответствии с рабочей программой данной дисциплины.

Объем проведения лабораторных работ по дисциплине (разделу) “Электроника” различен для студентов разных специальностей, поэтому, студенты данных специальностей выполняют следующие работы:

 

- специальность 160400, 160801 – ЛР: №1 - №8 (выборочно);

- специальность 151001, 151900 – ЛР: №1 – №8 (выборочно);

 

- специальность 230101, 230102 – ЛР: №1 – №8 (выборочно).

Исследование параметров лабораторных работ можно проводить также с помощью программ электронного моделирования:

Electronics Workbench (EWB), Micro-Cap (MC), Proteus-VSM и подобные.

Результатом выполнения каждой лабораторной работы является отчет.

Способ оформления отчета по каждой лабораторной работе – стандартный, и должен содержать оформленный бланк по лабораторной работе (см. Прил. 1),

в котором должны быть отражены:

- тема лабораторной работы и краткое описание ее проведения;

- используемые измерительные приборы и оборудование;

- таблица с измеренными и вычисленными параметрами;

- аналитический расчет с учетом известных законов, зависимостей и выражений;

- рисунки и графические зависимости в виде ВАХ или АЧХ в среде EXEL и др.;

- оценка погрешности и выводы по достигнутым результатам.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

 

ИСЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

 

Цель работы:

- оценка статических ВАХ полупроводниковых диодов;

- исследование принципа работы полупроводниковых диодов.

Задание:

1. Измерить и сравнить параметры четырех диодов различного типа:

маломощные диоды (Ge и Si); опорный диод (стабилитрон); светодиод.

2. Построить ВАХ исследуемых диодов для прямой и обратной ветви.

3. По ВАХ исследуемых диодов определить их статические параметры.

 

Приборы и оборудование:

1. Универсальный источник питания (ЭДС): Е ≤ 20 В; I_Раб ≤ 0,10 А;

2. Стенд универсальный с элементами регулировки Е и U параметров;

3. Набор диодов (выпрямительные - 2 шт., светодиод и стабилитрон);

4. Измерительные приборы (мультиметры) (I_ИЗМ ≤ 0,10 А; U_ИЗМ ≤ 20 В);

5. Осциллограф модели С1-55 – С1-118 или однотипные.

6. Генератор модели Г3-109 – Г3-36 или однотипные.

* Исследовать параметры моделей диодов можно также с помощью программ:

Electronics Workbench (EWB), Micro-Cap (MC), Proteus (VSM) и др.

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый диод – это активный элемент, имеющий один p-n переход и два вывода. Диоды (VD) предназначены для выпрямления, преобразования и коммутации электрических сигналов переменного и постоянного тока.

В диоде p – n -переход образован взаимодействием областей p –типа и n –типа.

Режим работы диода определяется свойствами его (p-n) перехода при воздействии на него внешнего электрического поля [1]:

- прямой ток возникает при несовпадении направлений внутреннего и внешнего электрического поля; прямой ток отсутствует при совпадении направления полей.

При создании внешнего электрического поля, т.е. при определенном условии подключения источника ЭДС к диоду - между p и n -областями может возникнуть контактная разность потенциалов т.е. установлен потенциальный барьер [2].

Потенциальный барьер уменьшается при прямом включении, когда (+) источника ЭДС подаётся на АНОД (p– область), а (–) на КАТОД (n– область).

Прямой ток I _ПР диода образован преимущественно диффузионным током I _Д основных носителей, а также дрейфовым I _S (тепловым) током неосновных носителей и сильно зависит от приложенного прямого напряжения U_ПР, т.к потенциальный барьер φ_К невелик, например, φ_К(Ge) = 0,3-0,35В и φ_К(Si) = 0,6-0,7В. При этом ширина перехода уменьшается, снижая сопротивление запирающего слоя.

Потенциальный барьер возрастает при обратном включении p-n- перехода, т.е. когда (+) источника подается на катод - область n, a (–) на анод - область p.

Обратный ток I _ОБР формируется дрейфовым током, а диффузии-онный ток становится равным нулю I_Д = 0 при определенном значении напряжения U _ОБР.

Концентрация неосновных носителей мала, а сопротивление запирающего слоя велико, поэтому обратный ток диода незначителен I _S→0. (С ростом Т⁰ перехода на Т = 8 ÷10⁰С ток I _ОБР удваивается).

 

Рис. 1.1 ВАХ 3-х типов диодов - зависимость напряжения от тока, протекающего через p–n -переход.

 

Основные параметры p–n -перехода:

статическое сопротивление постоянному току при прямом включении диода:

 

R₀ = U_ПР/I_ПР. (1.1)

 

Дифференциальное сопротивление переменному току (на прямой ветви ВАХ):

 

r_d = ∆ U_ПР/ ∆ I_ПР. (1.2)

 

По функциональному назначению диоды разделяют на следующие типы:

низкочастотные (выпрямительные); высокочастотные (импульсные); универсальные; диоды опорные (стабилитроны); опто-элементы (светодиоды и фотодиоды); магнито-диоды; диоды детекторные, туннельные, диоды Ганна и прочие [2].

Выпрямительные диоды (сплавные эпитаксиальные и диффузионные) выполненные на основе несимметричных p–n переходов. Они предназначены для преоб­разования переменного тока в постоянный ток.

В выпрямительных диодах используются широкие p-n переходы, что позволяет снизить напряженность электрического поля и повысить значение обратного напряжения, при котором может возникнуть тепловой пробой, приводящий к порче p–n перехода. Из-за большой площади p–n -переходов барьерная емкость (С_БАР) их велика и достигает значений - несколько десятков пикофарад.

Выпрямительные диоды имеют малое статическое сопротивление R₀ в прямом направлении, позволяя пропускать большие токи в прямом направлении.

Опорные диоды (стабилитроны) предназначены для стабилизации напряжения (и тока) в цепи. С табилитроном называют опорный диод, работающий в области пробоя на обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ).

Опорные диоды применяют в схемах стабилизаторов напряжения и тока.

В зависимости от типа стабилитрона, в нем может возникать один из видов пробоя: туннельный (полевой) либо лавинный (зенеровский) пробой.

Опорные диоды имеющие U_ОП ≤ 6 В (и —ТКН) изготовляют с большой концентрацией примесей для обеспечения туннельного эффекта.

Если в опорных диодах пробой осуществляется за счет высокого напряжения на переходе, то это – лавинный пробой.

ТКН - температурный коэффициент напряжения, показывающий изменение U_ОП в зависимости от температуры. Типовое знач. ТКН ~ (0.2÷0.4)%/град.

Динамическое сопротивление r_d - опорного диода показывает степень стабилизации напряжения ΔU_ОП при изменении тока ΔI_ОП.

Основные параметры маломощных стабилитрона:

U_ОП ≥ 2 В; I_ОП ≤ 70 мА; мощность рассеяния Р ≤ 0,2 Вт;

дифференциальное сопротивление r_d = 2 ÷ 60 (Ом).

 

 

Светодиод – точечный источник света, излучение в котором возникает в процессе рекомбинации носителей заряда. Наиболее интенсивными носителями заряда являются так называемые прямозонные полупроводники, например, арсенид галлия, длина волны излучения которого составляет λ = 0,1–1 мкм. Для получения видимого излучения используют материал с широкой запрещенной зоной. Фотодиод, наоборот использует энергию светового облучения. В нем носители заряда генерируются под воздействием света, а при отсутствии облучения в полупроводнике протекает только темновой ток, являющийся обратным током p – n -перехода.

Основные параметры выпрямительных и импульсных диодов:

1. Ток прямой: I_ПР (десятки мА – десятки Ампер);

2. Напряжение прямое U_ПР (доли В) – при заданном значении прямого тока;

3. Обратный ток I_ОБР (доли мкА—доли мА);

4. Обратное напряжение U_ОБР – при котором диод сохранять работоспособность;

5. Рассеиваемая мощность Р (сотни мВт — десятки Вт);

6. Рабочая частота переключения f_{ВЫПР.МАХ.} ≤ 500 кГц; f_{РАБ.ИМП} ≤ 4000 МГц.

 

* Справочные данные полупроводниковых диодов приведены в таблице №1.3.

В обозначении типа диода по ГОСТ (после 1977) содержится до шести знаков, например: ГД507 (1Д507); КД226А (2Д226А); КС133 (2С133); АЛ360А (3Л360А).

Первый элемент - обозначает материал, из которого изготовлен прибор:

Г (1) – германий; К, (2) – кремний; А (3) – соединения арсенид галлия.

Второй элемент – класс прибора: Д – диоды выпрямительные, универсальные, импульсные; С – стабилитроны; Л – диоды излучающие и т.д.

Третий элемент – (первая цифра после двух букв) – назначение прибора:

Четвертый и пятый элемент (цифры 01 - 99);– порядковый номер разработки.

Шестой элемент – буква русского алфавита; (обозначает технологию изготовления).

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: