Исследование работы параметрического стабилизатора

ВВЕДЕНИЕ

Современная электронная и микроэлектронная техника базируется на полупроводниковых элементах, поэтому изучение таких полупроводниковых приборов, как диоды, стабилитроны, биполярные, полевые транзисторы и тиристоры является основой для освоения работы всех электронных устройств.

В ходе проведения данных лабораторных работ учащиеся знакомятся с устройством полупроводниковых приборов (стабилитрона, биполярного транзистора и тиристора), с физическими принципами их работы, а также с их вольт-амперными характеристиками.

Лабораторная работа № 3 заключается в расчете параметрического стабилизатора напряжения и анализе его работы в программе электронного моделирования Electronics Workbench V. 5.12. Достоинством работы является то, что учащиеся наглядно анализируют работу стабилизатора при изменении в допустимых пределах входного напряжения и значения сопротивления нагрузки.

Лабораторная работа № 4 посвящена изучению биполярного транзистора. К особенностям работы можно отнести то, что учащиеся закрепляют теоретические знания путем синтеза схем включения транзистора с ОБ, ОК, ОЭ в программе электронного моделирования Electronics Workbench V. 5.12 и поточечного снятия для каждой из схем входных и выходных вольтамперных характеристик.

В лабораторной работе № 5 изучаются полупроводниковые приборы – тиристоры. Большая часть работы посвящена теоретическому и практическому изучению основных параметров тиристоров, схем их включения и выключения, а также практическому применению тиристоров в качестве управляющих устройств. В ходе работы учащиеся детально исследуют работу широтно-импульсного и частотного импульсного преобразователей напряжения.

Методические указания содержат 32 индивидуальных варианта заданий, основанных на полупроводниковых элементах отечественного производства, а также подробные иллюстрации и примеры.

Лабораторная работа № 3

Исследование работы параметрического стабилизатора

Цель работы: экспериментальное исследование работы параметрического стабилизатора.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

В ряде случаев к выходному напряжению выпрямителя, используемому в качестве напряжения питания для некоторого электронного устройства, предъявляются требования в отношении его стабильности. Ввиду того, что выходное напряжение выпрямителя может изменяться при изменении напряжения питающей сети или сопротивления нагрузки, между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизатор напряжения.

Существует два типа стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные. В первом типе стабилизаторов используется свойство некоторых приборов в частности стабилитронов при изменении протекающего через них тока сохранять постоянство напряжения.

Во втором типе стабилизаторов задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулировании напряжения, подводимого к нагрузке.

Схема параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис. 1. Она состоит из ограничительного сопротивления и стабилитрона . Нагрузка в виде сопротивления включена параллельно стабилитрону.

Рис. 1. Схема параметрического стабилизатора напряжения

Как уже было отмечено, работа параметрического стабилизатора основана на свойстве стабилитрона. Стабилитрон представляет собой обычный полупроводниковый диод, рабочим участком которого является участок электрического пробоя ВАХ в области обратных напряжений (рис. 2). На этом участке напряжение на стабилитроне остается практически постоянным при изменении тока через него в пределах минимального и максимально допустимого тока стабилизации.

Рис. 2. ВАХ и обозначение полупроводникового стабилитрона

Отличие стабилитронов от диодов заключается в том, что они изготавливаются на разное напряжение стабилизации (напряжение пробоя). Этого легко добиваются, подбирая нужную степень легирования (концентрацию доноров и акцепторов в и типе полупроводника).

ЗАДАНИЯ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Задание 1. Снятие по точкам статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона

1. Осуществить выбор варианта из табл. 1 в соответствии с назначением преподавателя.

Таблица 1

Исходные данные

Вариант	Тип стабилитрона	Пределы изменения напряжения источника	Минимальный ток стабилизации стабилитрона	Максимальный ток стабилизации стабилитрона	Пределы изменения сопротивления нагрузки
	D814A (Д 814 А)	10 – 14 В	3 мА	40 мА	820 – 1200 Ом
	KS139A (КС139 А)	5 – 7 В	3 мА	70 мА	250 – 5000 Ом
	D815A (Д 815 А)	6.5 – 10 В	50 мА	1400 мА	45 – 10000 Ом
	D816A (Д 816 А)	23 – 28 В	10 мА	230 мА	960 – 2300 Ом
	D817A (Д 817 А)	57 – 70 В	5 мА	90 мА	3410 – 5000 Ом
	D814B (Д 814 Б)	9.5 – 11 В	3 мА	36 мА	3370 – 6000 Ом
	KS147A (КС147 А)	5 – 8 В	3 мА	58 мА	410 – 2000 Ом

Окончание табл. 1

Вариант	Тип стабилитрона	Пределы изменения напряжения источника	Минимальный ток стабилизации стабилитрона	Максимальный ток стабилизации стабилитрона	Пределы изменения сопротивления нагрузки
	2S133A (2С133 А)	4 – 8 В	3 мА	81 мА	680 – 5000 Ом
	D815G (Д 815 Г)	12 – 19 В	25 мА	800 мА	76 – 1200 Ом
	D816D (Д 816 Д)	49 – 55 В	10 мА	110 мА	2750 – 15000 Ом
	2S527A (2C527 А)	29 – 35 В	1 мА	30 мА	1940 – 2500 Ом
	D814D (Д 814 Д)	20 – 30 В	3 мА	24 мА	1600 – 3500 Ом
	KS168A (КС168 А)	8 – 11 В	3 мА	90 мА	360 – 6000 Ом
	D817V (Д 817 В)	100 – 120 В	5 мА	60 мА	2700 – 5400 Ом
	D815E (Д 815 Е)	22 – 30 В	25 мА	550 мА	250 – 5000 Ом
	KS156A (КС156 А)	7 – 15 В	3 мА	55 мА	740 – 10000 Ом
	D817B (Д 817 Б)	100 – 115 В	5 мА	75 мА	1170 – 3800 Ом
	D814G (Д 814 Г)	20 – 30 В	3 мА	29 мА	970 – 4800 Ом
	2S522A (2С522 А)	29 – 35 В	1 мА	37 мА	735 – 1050 Ом
	D815V (Д 815 В)	10 – 20 В	50 мА	950 мА	125 – 5000 Ом
	D815В (Д 815 Б)	9 – 20 В	50 мА	1150 мА	90 – 10000 Ом
	2S147A (2С147 А)	6 – 11 В	3 мА	58 мА	750 – 4500 Ом
	D815J (Д 815 Ж)	22 – 27 В	25 мА	450 мА	115 – 20000 Ом
	2S191G (2С191 Г)	11 – 15 В	0.5 мА	14 мА	2000 – 4000 Ом
	D814V (Д 814 В)	16 – 25 В	3 мА	32 мА	870 – 1800 Ом
	KS133A (КС133 А)	9 – 16 В	3 мА	81 мА	110 – 7000 Ом
	D816G (Д 816 Г)	50 – 60 В	10 мА	130 мА	635 – 5000 Ом
	D816B (Д 816 Б)	35 – 50 В	10 мА	180 мА	500 – 3000 Ом
	D817G (Д 817 Г)	115 – 130 В	5 мА	50 мА	3650 – 6500 Ом
	D815D (Д 815 Д)	20 – 30 В	25 мА	650 мА	50 – 7000 Ом
	2S211G (2C211 Ж)	20 – 25 В	0.5 мА	12 мА	990 – 1800 Ом
	2S168A (2С168 А)	9 – 15 В	3 мА	45 мА	800 – 5000 Ом

2. Собрать схему, представленную на рис. 7, для снятия обратной ветви ВАХ стабилитрона.

Рис. 7. Схема для снятия обратной ветви ВАХ стабилитрона

3. Последовательно устанавливая значения обратного напряжения стабилитрона, задаваемого источником напряжения , в диапазоне от 0 до значения напряжения стабилизации – напряжения пробоя, при котором обратный ток прибора резко возрастает, снять значения тока на амперметре . Снятые значения обратного тока, а также значения напряжения исследуемого стабилитрона со знаком минус занести в табл. 2.

Таблица 2

Значения обратного тока напряжения исследуемого стабилитрона

		-1	-5	-7	-8	-8.1	-8.2	-8.3	-8.4	-8.5
		-1 мкА	-5 мкА	-7 мкА	-8.6 мкА	-32 мкА	-1.1 мА	-20 мА	-73.8 мА	-140 мА

4. По данным табл. 2 построить обратную ветвь ВАХ стабилитрона. В качестве примера на рис. 8 приведена обратная ветвь ВАХ исследуемого стабилитрона, построенная в Mathcad 2000.

5. На графике обозначить максимальное и минимальное значения тока стабилизации стабилитрона, взятых из табл. 1. Определить соответствующие этим значениям обратного тока значения обратного напряжения (рис. 8). Для исследуемого стабилитрона мА, мА. Соответствующие этим значениям тока значения напряжения В, В.

6. Определить номинальное значение напряжения стабилизации (напряжение пробоя) стабилитрона как среднее напряжение допустимого диапазона:

(14)

Для исследуемого стабилитрона номинальное значение напряжения стабилизации составляет

В.

Это значение использовалось в приведенных ранее вычислениях.

7. На графике обозначить полученное номинальное значение напряжения стабилизации (см. рис. 8).

Рис. 8. Обратная ветвь исследуемого стабилитрона

8. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке изменения тока стабилизации в допустимых пределах .

Задание 2. Определение параметров параметрического

Стабилизатора

1. Собрать схему параметрического стабилизатора, представленную на рис. 9.

Рис. 9. Принципиальная схема параметрического стабилизатора

2. С использованием выражения (10) вычислить минимально допустимую величину ограничительного сопротивления .

3. Осуществить подбор ограничительного сопротивления (в сторону увеличения относительно минимально-допустимого значения) до выполнения условий нормальной работы стабилизатора в заданном диапазоне изменения сопротивления нагрузки . Проверку выполнения условий нормальной работы стабилизатора по нагрузке производить с использованием выражений (11), (12).

Примечание: выполнение пункта 3 рекомендуется выполнять в программе математического моделирования Mathcad 2000. В Приложении приведено рабочее окно программы Mathcad 2000 с основными выражениями и порядком их следования для определения величины ограничительного сопротивления и соответствующего допустимого диапазона изменения сопротивления нагрузки .

4. Подставить подобранное значение ограничительного сопротивления в схему параметрического стабилизатора.

5. Подставить минимальное значение сопротивления нагрузки (из табл. 1) в схему и, последовательно установив минимально- и максимально допустимое значения напряжения источника , по амперметру М2 проверить выполнение условий нормальной работы стабилитрона в допустимом диапазоне изменения тока стабилизации . Значения тока, зафиксированные на амперметре при и , занести в отчет и сравнить с предельными значениями тока стабилизации.

6. Аналогичные действия провести при максимальном значении сопротивления нагрузки .

7. При необходимости, в случае невыполнения условий нормальной работы стабилитрона, скорректировать значение ограничительного сопротивления и повторить шаги 3–6 повторно.

8. Осуществить построение на одном графике зависимостей , , . Построение рекомендуется осуществить в программе Mathcad 2000 (см. Приложение). На графике отметить предельные значения сопротивления нагрузки и .

9. Осуществить построение зависимости – изменения напряжения нагрузки (напряжения стабилизации) от изменения напряжения источника в заданных пределах. Для этого, варьируя напряжение источника в заданном диапазоне , снять показания вольтметра М1. Снятие показаний и построение зависимости следует осуществить при минимальном и максимальном сопротивлении нагрузки – две кривые на одном графике.

10. Осуществить построение зависимости – изменения напряжения нагрузки от изменения сопротивления нагрузки в допустимых пределах . Для этого, варьируя значение сопротивления нагрузки в допустимом диапазоне, снять показания вольтметра М1. Снятие показаний и построение зависимости следует осуществить при минимальном и максимальном напряжении источника – две кривые на одном графике.

11. С использованием выражения (13) определить величину коэффициента стабилизации . При этом номинальное значение напряжения источника определить как среднее значение напряжений возможного диапазона . Номинальное значение нагрузки равняется номинальному значению напряжения стабилизации (см. выражение 14). Приращения напряжений источника и нагрузки , определяются через их номинальные и граничные значения.

12. Опытным или расчетным путем определить предельные (минимальное и максимальное) значения напряжения источника, при которых соблюдаются условия нормальной работы стабилитрона (ток стабилизации стабилитрона лежит в рабочем диапазоне ).

Лабораторная работа № 4

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами. В зависимости от порядка расположения трех областей в полупроводниковом кристалле различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их упрощенные структуры и условные обозначения показаны на рис. 10. Центральную область кристалла называют базой (Б), а наружные области – соответственно эмиттером (Э) и коллектором (К). р-n переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а p-n переход между коллектором и базой – коллекторным.

Непременное условие нормальной работы биполярного транзистора – малая ширина базы . Необходимо, чтобы выполнялось условие ( диффузионная длина неосновных носителей в базе).

а) б)

Рис. 10. Структуры и схемное обозначение n-p-n (а) и p-n-p (б) транзисторов

Определение. Носители заряда, выходящие из слоя с повышенной концентрацией и входящие в слой с меньшей концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с носителями заряда противоположного знака. Их концентрация уменьшается по экспоненциальному закону, стремясь к равновесной. Расстояние, на котором избыточная концентрация носителей заряда уменьшается в е раз, называют диффузионной длиной L (соответственно – для электронов и – для дырок). Иными словами, это среднее расстояние, на которое носитель заряда может переместиться за время своей жизни.

Отсутствие накала, малые габаритные размеры, стоимость, высокая надежность – таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей электронные лампы.

На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

- режим отсечки – на оба перехода поданы обратные напряжения;

- режим насыщения – на оба перехода поданы прямые напряжения;

- нормальный активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное;

- инверсный активный режим – на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный – прямое.

В режиме отсечки через оба перехода проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет в первом приближении считать, что между всеми выводами транзистора будет обрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю.

В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток, что эквивалентно малому сопротивлению. Поэтому можно считать, что в этом режиме между всеми выводами транзистора будет короткое замыкание. Иными словами, транзистор «стягивается в точку», а токи, проходящие через него, будут определяться только сопротивлениями элементов, включенных во внешние цепи транзистора.

Более сложная картина наблюдается при работе транзистора в активном режиме. В этом случае источник питания подключен к эмиттерному переходу в прямом направлении и через эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток (рис. 11).

Рис. 11. Процессы в биполярном транзисторе в

нормальном активном режиме работы

При этом из эмиттера в базу инжектируются электроны, а из базы в эмиттер – дырки. Однако в связи с тем, что эмиттер легирован значительно сильнее базы, поток электронов будет намного больше потока дырок. За счет инжекции электронов в базу, а также инжекции дырок из базы в эмиттер формируется ток эмиттера . Инжектированные электроны проходят базу, а так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и почти все они достигают коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают под действие электрического поля этого обратносмещенного перехода (источник питания подключен минусом к базе) и втягиваются этим полем в коллектор. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток коллектора . За время прохождения базы часть электронов все-таки рекомбинирует в области базы и вызывает соответствующий ток базы .

Между всеми токами биполярного транзистора существует очевидное соотношение:

(15)

Различают три схемы включения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На рис. 12 показаны схемы включения транзистора. Основные особенности этих схем отмечены в табл. 3.

ОК

Рис. 12. Схемы включения транзистора

Основной параметр биполярного транзистора – коэффициент усиления по току. Для схемы ОБ коэффициент усиления по току обозначается буквой и определяется для нормально включенного транзистора как

. (16)

Поскольку , то . Для современных транзисторов . Таким образом, схема ОБ не обеспечивает усиление тока. Однако транзистор с ОБ позволяет получить высокое усиление сигнала по напряжению. В цепи коллектора вследствие большого сопротивления обратносмещенного коллекторного перехода (r_К> > r_Э) может быть включено достаточно большое сопротивление нагрузки r_Н> > r_Э. В таком случае изменения напряжения на нагрузке DU_Н могут значительно превышать изменения входного напряжения (на эмиттере) DU_Э:

, (17)

где DI_Э, DI_К – изменения входного (эмиттерного) и выходного (коллекторного) токов.

Наибольшее применение получила схема с ОЭ, т. к. обеспечивает наибольшее усиление по току, напряжению и мощности. Коэффициент усиления по току биполярного транзистора для схемы ОЭ определяется как

. (18)

Используя соотношение (1), нетрудно получить связь между и в следующем виде:

(19)

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора для схемы ОЭ составляет . Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОЭ, – хороший усилитель тока. Кроме того, схема ОЭ, как и схема ОБ, позволяет получить высокое усиление сигнала по напряжению вследствие большого сопротивления обратносмещенного коллекторного перехода. Значительное усиление транзистора, включенного по схеме с ОЭ, по току и напряжению позволяет получить значительное усиление по мощности.

Схема с ОК имеет наибольшее входное сопротивление и используется для согласования каскадов в радиотехнических схемах.

В схеме с общим коллектором ОК коэффициент усиления меньше 1. Казалось бы, такое устройство не очень востребовано, но тот факт, что у схемы с ОЭ плохие параметры именно из-за того, что у ОЭ низкое входное сопротивление и высокое выходное, не получается использовать несколько схем с ОЭ, т. к. каждая следующая схема будет закорачивать выходной сигнал предыдущей. Если же между схемами с ОЭ использовать схемы с ОК, то высокое выходное сопротивление ОЭ согласуется с очень высоким входным сопротивлением схемы ОК, а низкое выходное сопротивление схемы ОК согласуется с низким входным сопротивлением следующей схемы ОЭ.

Это происходит потому, что при единичном усилении по напряжению схема с ОК имеет довольно большой коэффициент усиления по току (примерно ). Часто такие схемы называются эмиттерными повторителями.

Основные особенности схем ОБ, ОЭ, ОК отмечены в табл. 3.

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются его вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Однако, прежде чем рассматривать их, необходимо заметить следующее. Во-первых, биполярный транзистор – «токовый» прибор, т. к. основные процессы, протекающие в таком транзисторе, определяются его входным током. Поэтому кроме выходных ВАХ для него важны также и входные ВАХ. А в связи с тем, что входные и выходные токи и напряжения транзистора достаточно сильно связаны друг с другом, для полной характеристики транзистора нужно иметь не отдельные характеристики, а семейства ВАХ: входных и выходных. Конечно, при любой схеме включения физические процессы в транзисторе не меняются, но существенно изменяются входные и выходные величины, что и приводит к соответствующим изменениям в семействах ВАХ транзистора.

Таблица 3

Основные параметры биполярного транзистора при включении

по схемам с ОБ, ОЭ, ОК

Параметр	Схема включения
ОБ	ОЭ	ОК
Коэффициент передачи тока	< 1	10...100	10..100
Коэффициент передачи напряжения	10...1000	10...1000	< 1
Коэффициент усиления по мощности	100...1000	10³... 10⁴	10..100
Входное сопротивление, Ом	10...100	> 100	> 10⁴
Выходное сопротивление, Ом	> 100	> 10	10..100

Лабораторная работа № 5

Исследование тиристоров

Цель работы: изучить основные свойства, характеристики и параметры тиристоров, экспериментально исследовать их вольтамперные характеристики (ВАХ) и возможности применения в электронных схемах.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Тиристор – четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт).

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры).

Динистор – это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n-перехода (рис. 23). Крайняя область p называется анодом, а другая крайняя область n – катодом.

Рис. 23. Структура динистора и его условное обозначение

Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой (рис. 24).

Рис. 24. Структура динистора и схема его замещения

При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора – током базы первого. Благодаря этому соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.

Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы и будут смещены в прямом направлении, а переход – в обратном.

Найдем ток через переход , равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки этого перехода:

. (22)

Ток во внешней цепи равен , поэтому:

, (23)

откуда получим значение внешнего тока:

. (24)

Пока выполняется условие , ток в динисторе равен . При динистр включается и начинает проводить ток.

Для увеличения коэффициентов передачи тока и можно увеличивать напряжение на динисторе. С ростом напряжения один из транзисторов будет переходить в режим насыщения.

Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения.

Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис 25.

Рис. 25. Вольт-амперные характеристики динистора и схема его включения

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения или поменять полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 26. В схеме (а) прерывается ток в цепи динистора. В схеме (б) напряжение на динисторе делается равным нулю. В схеме (в) ток динистора понижается до включением добавочного резистора . В схеме (г), при замыкании ключа , на анод динистора подается напряжение противоположной полярности при помощи конденсатора .

а)

б)

в)

г)

Рис. 26. Схемы включения динистора: а) с размыканием цепи; б) с шунтированием прибора; в) со снижением тока анода; г) с подачей обратного напряжения

В отличие от динистора, переход в открытое состояние которого осуществляется достижением некоторого значения напряжения между анодом и катодом, в тиристоре управление состоянием прибора производится по цепи третьего управляющего электрода. Управляющий вывод в тиристоре реализуется от одной из баз эквивалентных транзисторов или . Если подать в одну из этих баз ток управления, коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением.

а)

б)

Рис. 27. Структура тиристора и его схемотехническое обозначение: а) с катодным управлением; б) с анодным управлением

Тиристор изготавливается по диффузионной технологии. Исходным материалом является кремниевая пластина n-типа. Вначале методом диффузии акцепторной примеси с обеих сторон пластины создают транзисторную структуру p-n-p. Затем, после локальной обработки поверхности р-слоя, вносят донорную примесь в р-слой для получения четвертого n-слоя.

Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 28) отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения.

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒