Исследование характеристик диодов и тиристоров

Блок мультиметров (код 509.2)

Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. В нём установлены 2 серийно выпускаемых мультиметра MY60, MY62 или MY64. Подробная техническая информация о них и правила применения приводится в руководстве по эксплуатации изготовителя. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителей защиты токовых цепей мультиметров.

Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров соблюдайте следующие правила:

Не превышать допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого рода работы.

Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливать переключатель пределов измерения на наибольшую величину.

Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы (не для изменения предела измерения!), отключать щупы от проверяемой цепи.

Не следует измерять сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение.

Не следует так же измерять ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они разряжены.

До подключения мультиметра к цепи необходимо выполнить следующие операции: выбрать род измеряемой величины: - V, ~ V, - A, ~ A или ; выбрать диапазон измерений соответственно ожидаемому результату измерений; правильно подсоединить зажимы мультиметра к исследуемой цепи.

5.2 Экспериментальная часть

Задание

Проверить работоспособность блока генераторов напряжений и измерительных приборов.

Порядок выполнения эксперимента

Необходимо собрать цепь согласно схеме рисунок 5.8, включив в нее для начала резистор R = 100Ом. Подать на вход питание от нерегулируемого источника постоянного напряжения +15 В, отрегулировать осциллограф и убедиться, что пульсации напряжения незначительны или отсутствуют, что напряжение равно 150,5 В, а ток примерно равен 150 мА.

Переключить мультиметр для измерения тока 2 А, заменить резистор 100 Ом на 47 или 33 Ом, при этом убедившись, что появляются пульсации напряжения на выходе и через некоторое время срабатывает защита и включается сигнализация перегрузки.

Повторить этот опыт с другим нерегулируемым источником напряжения 15 В и с регулируемым источником при максимальном напряжении на его выходе. Проверить, как работает регулятор напряжения источника

Установить в схему резистор 47 Ом, переключить мультиметры для измерения синусоидальных сигналов и подключите к схеме генератор напряжений специальной формы.

Установить синусоидальный сигнал на выходе и убедитсь, что частота и амплитуда напряжения регулируются (по осциллографу). На частоте 1000 Гц (или какой нибудь другой) убедититься, что переключается форма сигнала. Внимание! Мультиметры не предназначены для измерения несинусоидальных токов и напряжений!

Заменить резистор 47 Ом на 22 Ом и убедитесь, что срабатывает защита и сигнализация перегрузки.

Снова включить в схему резистор 100 Ом, и, подключая к ней напряжения U_AO, U_BO, U_CO, U_AB, U_BC и U_CA трёхфазного источника, убедившись что фазные напряжения регулируются в пределах от 0 до 8 В, а линейные в v3 раз больше. Замените резистор 100 Ом на 22 Ом и проверить работу защиты каждой фазы.

Полупроводниковые приборы



5.3 Исследование характеристик полупроводниковых диодов на постоянном и переменном токах

Общие сведения

Двухэлектродный полупроводниковый элемент - диод содержит n-p - структуру (рисунок 5.9). В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в p-проводящем слое - дырки. В результате диффузии электронов из n-области в р-область и, наоборот, дырок из р-области в n-область на границе создаётся потенциальный барьер.

При прямом приложенном напряжении («+» к слою p, «» к слою n) потенциальный барьер уменьшается, и диод начинает проводить ток (диод открыт). При обратном напряжении потенциальный барьер увеличивается (диод заперт).

Прямой ток через р-n переход определяется носителями заряда, неосновными для того слоя, куда они проникают. В процессе движения они сталкиваются с основными носителями данного слоя и рекомбинируют. С увеличением прямого тока падение напряжения на диоде несколько возрастает. При рекомбинации может выделятся энергия в виде излучения. Это явление используется в светодиодах.

В обратном направлении через диод протекает только небольшой ток утечки, обусловленный неосновными носителями. С увеличением обратного напряжения выше предельно допустимого для данного типа диода наступает пробой р-n перехода. В диодах различных типов он протекает по разному: в обычных выпрямительных диодах - это необратимое разрушение р-n перехода в результате его перегрева, в лавинных - происходит лавинное размножение неосновных носителей, что приводит к резкому уменьшению обратного напряжения на нём и уменьшению нагрева, в стабилитронах - при увеличении обратного тока имеется достаточно протяжённый участок вольт-амперной характеристики, на котором напряжение мало зависит от тока (зенеровский пробой).

Основные статические параметры диодов, такие как пороговое напряжение U₀, прямое падение напряжение U_пр, дифференциальное сопротивление R_д, обратный ток I_обр, напряжение стабилизации стабилитрона U_ст, можно определить по вольтамперной характеристике, снятой на постоянном или медленно изменяющемся токе.

Переключение диода из закрытого состояния в открытое происходит не мгновенно. Это можно наблюдать на экране осциллографа, если приложить к диоду напряжение прямоугольной формы высокой частоты.

При переходе из закрытого в открытое состояние необходимо время t_вкл, необходимое для рассасывания избыточных зарядов потенциального барьера и достижения диффузионного равновесия.

При переходе из открытого состояния в закрытое необходимо время t₁, за которое рассасываются избыточные носители и время t₂, за которое вновь устанавливается потенциальный барьер. Общее время выключения t_выкл = t₁ + t₂. На этапе t₁ через диод протекает большой обратный ток, а напряжение на нём убывает, сохраняя прямое направление. На этапе t₂ ток обратный ток убывает до нормального значения. Реальная картина, наблюдаемая на экране осциллографа, может несколько отличаться от описанной из-за влияния входной ёмкости осциллографа и монтажа.

Экспериментальная часть

Задание

Снять вольтамперные характеристики выпрямительного диода (типа КД226, 1N5408), импульсного диода (типа КД521, КД522, 1N4148), диода Шотки (типа 1N5819). По характеристикам определить основные параметры и сравнить их. На экране осциллографа пронаблюдать процессы включения и выключения диода, определить время включения и выключения.

Устанавливая токи, указанные в таблице 5.9 снять прямую ветвь вольтамперной характеристики сначала выпрямительного диода, затем - импульсного и, наконец, диода Шотки. На рисунке 5.12 построить графики.

Изменить схему для снятия обратной ветви вольтамперных характеристик переключив вольтметр в точку А (до амперметра) и перевернув диод. В этой схеме через амперметр не протекает ток вольтметра, который теперь соизмерим и даже больше обратного тока через диод. В то же время падение напряжения на амперметре ничтожно мало по сравнению с обратным напряжением на диоде.

Устанавливая напряжения, указанные в таблице 2.2, снять обратную ветвь вольтамперной характеристики диода Шотки. Убедиться, что обратный ток выпрямительного и импульсного диодов настолько мал, что его невозможно измерить приборами, имеющимися в стенде. На рисунке 5.12 построить графики.

Таблица 5.3 (прямая ветвь)

I, мА	2	5	10	20	30	40
U, B	КД226	0,584	0,626	0,658	0,689	0,708	0,719
	КД521	0,652	0,7	0,742	0,792	0,823	0,848
	1N5819	0,211	0,236	0,253	0,273	0,284	0,293

Таблица 5.4 (обратная ветвь)

U, B		2	5	10	15	20	25	27,9
I, мА	КД226	0,2	0,5	0,99	1,5	2,01	2,52	2,8
	КД521	0,22	0,51	0,1	1,53	2,01	2,51	2,81
	1N5819	1,2	1,87	2,9	3,96	5,09	6,35	7,26

Для исследования характеристик диодов на переменном токе соберите на наборном поле цепь согласно принципиальной схеме рисунке 5.13. Измерительные приборы в схему не включайте, так как они могут создать дополнительные паразитные ёмкости. Не забудьте включить инвертирование сигнала по каналу II, чтобы отклонение луча вверх соответствовало прямому току через диод.

Для начала нужно включить в цепь выпрямительный диод, подать на вход синусоидальное напряжение частотой 1 кГц, установить ручку регулятора амплитуды примерно в среднее положение (4…6 В) и отрегулировать развертку, синхронизацию и усиление по двум каналам осциллографа так чтобы на экране помещались 1,5…2 периода кривых тока и напряжения.

Переключая множитель частоты ?1, ?10, ?100, и регулируя каждый раз длительность развёртки осциллографа, пронаблюдать за изменением кривой тока. Объясните результаты (нужно иметь в виду, что в положении множителя ?100 выходное напряжение генератора снижается примерно в 2 раза).

Переключить осциллограф в режим X-Y. При этом на экране появится изображение динамической вольтамперной характеристики диода: прямой ток по оси Y вверх, прямое падение напряжения - по оси Х вправо.

Снова попереключить множитель частоты, наблюдая за изменением динамической вольтамперной характеристики. Объясните, почему при низкой частоте динамическая вольтамперная характеристика совпадает со статической, а при высокой - не совпадает.

Попробуйте повторить эти опыты с импульсным диодом и с диодом Шотки. Объясните отличия.

Снова включите в цепь выпрямительный диод, переключите осциллограф в режим развёртки и установите на входе прямоугольное двухполярное напряжение частотой примерно 40…50 кГц и небольшой амплитуды (2…3 В), чтобы меньше искажалось выходное напряжение генератора.

Настройте изображение, перерисуйте осциллограмму в отчёт, не забыв указать масштабы по осям (масштаб по оси тока вычисляется как масштаб напряжения, по каналу II, делённый на сопротивление, с которого снимается сигнал.).



5.4 Определение основных характеристик стабилитрона и исследование параметрического стабилизатора напряжения

Общие сведения

Стабилитрон представляет собой кремниевый диод, характеристика которого в открытом состоянии такая же, как у выпрямительного диода. Отличие стабилитрона заключается в относительно низком напряжении пробоя при обратном напряжении. Когда это напряжение превышено, ток обратного направления возрастает (пробой Зенера). В выпрямительных диодах такой режим является аварийным, а стабилитроны нормально работают при обратном токе, не превышающем максимально допустимого значения.

Наличие почти горизонтального участка на вольтамперной характеристике стабилитрона делает его пригодным для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке. Для этого нагрузку включают параллельно стабилитрону. Чтобы избежать перегрузки, последовательно со стабилитроном включают балластный резистор. Величина его вычисляется следующим образом:

R_БАЛ = (U_РАБ - U_СТ) ¤ (I_СТ + I_НАГР),

где U_РАБ - приложенное рабочее напряжение,

U_СТ - напряжение стабилизации стабилитрона испытываемого типа,

I_СТ - допустимый ток стабилизации,

I_Н - ток в резисторе нагрузки R_Н, включенном параллельно стабилитрону.

Экспериментальная часть

Задание

Снять с помощью осциллографа вольтамперную характеристику и определить напряжение стабилизации U_СТ стабилитрона. Исследовать зависимость выходного напряжения и тока стабилитрона от входного напряжения в цепи параметрического стабилизатора напряжения.

Порядок выполнения эксперимента

Собирать цепь согласно принципиальной схеме или монтажной. Подайте на вход синусоидальное напряжение от генератора напряжения специальной формы частотой 0,5…1 кГц максимальной амплитуды.

Включить и настроить осциллограф в режиме X-Y. Включить инвертирование вертикального входа.

Определить по осциллограмме напряжение стабилизации, напряжение на стабилитроне при прямом токе, дифференциальное сопротивление в середине диапазона стабилизации.

Увеличить частоту в 10 раз и посмотрите, как изменится вольтамперная характеристика. Объяснить почему.

Включите генератор напряжений и, изменяя постоянное напряжение на входе стабилизатора от 0 до максимального значения 13…14 В, снимите зависимость выходного напряжения от входного на холостом ходу. Результаты записать в таблице 5.5

Таблица 5.5

UВХ, В	0	2	4	6	8	10	12
UВЫХ, В	0	2	4	5,7	5,76	5,78	5,8

Установите максимальное напряжение на входе и, включая различные сопротивление нагрузки, согласно таблице 5.6, снимите зависимость выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки.

Таблица 5.6

RН Ом	?	150	100	47+22	47+10	47	33+10	33
IН, мА	0 (х.х.)	37,2	54,4	70,6	73,1	79,7	83,1	89,3
UВЫХ, В	5.8	5,56	5,7	4,96	4,3	3,93	3,9	3,1



Укажите минимально допустимое входное напряжение, максимально допустимый ток нагрузки и определите коэффициенты стабилизации по напряжению и по току, приняв U_{ВХ НОМ} = 8 В и I_Н.НОМ = 80 мА.

Экспериментальное снятие вольтамперной характеристики светодиода

Общие сведения

В случаях, когда полупроводниковые диоды выполнены из таких материалов как арсенид галлия или фосфид галлия, часть подводимой к ним электрической энергии преобразуется не в тепло, как в других полупроводниках, а в световые потоки с намного более короткой длиной волны. Цвет излучения определяется выбором соответствующего материала и присадками. Цвет может быть инфракрасным, красным, желтым, оранжевым, зеленым или голубым.

Экспериментальная часть

Задание

Снять вольтамперную характеристику светодиода посредством осциллографа. Изучить влияние напряжения U_СД и тока I_СД светодиода на световую эмиссию.

Порядок выполнения эксперимента

Собрать цепь согласно схеме (рисунок 5.28). Включите осциллограф в режиме X - Y, на горизонтальный вход (Х) подайте напряжение со светодиода, а на вертикальный (Y) - напряжение с сопротивления, пропорциональное току. Включите инвертирование канала Y, чтобы прямому напряжению на светодиоде соответствовало отклонение луча осциллографа вверх. Обычный диод шунтирует светодиод в обратном направлении для предотвращения его пробоя.

Входное напряжение последовательными шагами, как указано в таблице 5.6 измерить прямое напряжение U_СД и ток I_СД светодиода с помощью мультиметра и оцените визуально светоизлучение (отсутствует, слабое, среднее, сильное). Занести данные в таблицу.



Таблица 5.6

UВХ, В	UСД, В	IСД, мА	светоизлучение
2	1,79	0,02	слабое
4	1,90	2,1	слабое
6	1,96	4,1	среднее
8	2,01	6,2	среднее
10	2,06	8,2	среднее
12	2,1	10,1	сильное
14	2,14	12,2	сильное
15	2,17	13,3	сильное



6. Транзисторы. Система обозначений основные характеристики и параметры

6.1 Классификация транзисторов

Транзистор - это электропреобразовательный прибор, содержащий два и более p - n - переходов, имеющий три и более вывода и предназначенный для усиления мощности. В силовой электронике транзисторы практически всегда применяются только в ключевом режиме, то есть могут быть либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Транзисторы обычно не допускают приложения к ним обратного напряжения и, поэтому, шунтируются встречно включенными диодами. Такое сочетание транзистора и диода будем называть транзисторным ключом.

В настоящее время существует множество различных типов транзисторов. На рисунке 6.1 приведена классификация основных типов транзисторов.

Транзисторы по принципу действия делятся на биполярные (управляемые током), униполярные (управляемые электрическим полем или полевые) и /GST-транзисторы. Аббревиатура IGBT - это сокращение названия Insulated gate bipolar transistor. В переводе это значит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей зарядов обоих знаков: электронов и дырок, поэтому они называются биполярными.

В полевых транзисторах ток определяется шириной проводящего канала, по которому движутся носители зарядов одного знака, отсюда их другое название - униполярные.

IGBT-транзисторы являются гибридными, в них сочетаются положительные свойства биполярных и полевых транзисторов.

Биполярные транзисторы содержат три чередующихся слоя с различным типом проводимости. Средний слой структуры называется базой. Крайний слой, являющийся источником носителей заряда, называется эмиттером. Другой крайний слой, принимающий заряды, называется коллектором. В зависимости от порядка их чередования биполярные транзисторы делятся на транзисторы типа n-p-n и p-n-p.

Полевые транзисторы (ПТ) делятся по принципу действия на ПТ с затвором в виде p-n-перехода и на ПТ с изолированным затвором (ПТИЗ). Последние по их структуре называют также МОП-транзисторами.

Электрод, из которого выходят основные носители, называется истоком. Электрод, куда приходят основные носители, называется стоком. От истока к стоку носители движутся по каналу. Электрод, регулирующий ширину канала, называется затвором.

МОП-транзисторы могут быть выполнены с встроенным и с индуцированным каналом. МОП-транзисторы с встроенным каналом при отсутствии управляющего сигнала открыты (нормально открыты). МОП-транзисторы с индуцированным каналом при отсутствии управляющего сигнала закрыты (нормально закрыты).

Из полевых транзисторов МОП-транзисторы с индуцированным каналом получили наибольшее применение в преобразовательной технике.

В зависимости от типа полупроводника, из которого выполнен канал, ПТ делятся на ПТ с каналом n-типа и ПТ с каналом p-типа. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) или, как они сокращенно называются по-английски /GBT, представляют собой гибрид биполярного транзистора и ПТИЗ, сочетающий их лучшие свойства. БТИЗ - это сложная многослойная структура и процессы в ней весьма сложны. Поэтому на рисунке 6.2 приведена очень упрощенная схема замещения. При подаче на затвор З напряжения, положительного относительно точки Э, ПТИЗ открывается и начинает проходить ток от точки К через эмиттерно-базовый переход биполярного транзистора и открытый ПТИЗ к точке Э. При этом открывается биполярный транзистор, через который проходит ток от точки К к точке Э. Буквами Э, К, З обозначены эмиттер, коллектор и затвор БТИЗ. БТИЗ могут работать только в ключевом режиме.

БТИЗ в настоящее время получили наибольшее распространение в устройствах силовой электроники при мощностях от сотен Вт до тысячи кВт.

6.2 Основные статические характеристики транзисторов

Семейство выходных ВАХ I_к = f (U_к)Iб = const для схемы с общим эмиттером. Характеристика при I_б = - I_к0 соответствует подаче на базу запирающего напряжения. Нанесена разрешенная область работы транзистора, ограниченная допустимым напряжением, допустимым током и кривой допустимой мощности. Для описания усилительных свойств часто используют характеристику прямой передачи по току.

Выходные I_с = f (U_с)_UЗ = const и передаточные (стоко-затворные) I_с=f(U_з)_Uc=const характеристики для ПТИЗ индуцированным каналом для схемы включения с общим истоком. Другие схемы включения практически не применяются.

Выходные характеристики ПТИЗ похожи на характеристики биполярных (рисунок 6.4). Но вместо тока базы у них параметром является напряжение на затворе U_з, а вместо тока коллектора I_к и напряжения на коллекторе U_к - ток стока I_c и напряжение на стоке U_c.

Выходные характеристики БТИЗ похожи на характеристики ПТИЗ, но на участке насыщения они идут значительно круче. Это обуславливает значительно меньшее падение напряжения в ключевом режиме. Передаточные характеристики аналогичны.

В ключевом режиме рабочая точка может находиться только в двух положениях - в точке отсечки О и в точке насыщения Н.

В точке отсечки транзистор заперт, и через него проходит очень маленький ток I_к0. Поэтому, несмотря на значительное напряжение, мощность, выделяемая в транзисторе в состоянии отсечки, очень мала. Если на базу подан ток, обеспечивающий насыщение, то падение напряжения U_кн на транзисторе мало. Поэтому даже при существенном токе I_кн потери в точке насыщения невелики. И те и другие потери существенно меньше, чем в точке Р в линейном режиме. Следовательно, ключевой режим энергетически значительно более выгоден, чем линейный.

В ключевом режиме все транзисторы в открытом состоянии работают на вертикальной части выходной ВАХ (малое падение напряжения), а в закрытом - на нижней горизонтальной ВАХ (малый ток). Все транзисторные ключи не допускают приложения обратного напряжения и, поэтому, как правило, шунтируются обратными диодами.

Участки обобщенных статических выходных характеристик транзисторов, используемые в ключевом режиме (с учетом шунтирующих обратных диодов), приведены на рисунок 2.23 г. - е. На рисунке 2.23 ж приведены те же характеристики для идеального транзисторного ключа.

При расчете вентильных преобразователей на напряжения 100 В и более можно с достаточной точностью использовать ВАХ по рисунку 2.23 ж. Для расчета статических потерь в транзисторных ключах можно использовать характеристики по рисунку 2.23 г. - е и определенные по ним параметры. При таком расчете не учитываются коммутационные потери, возникающие при переключениях ключа. Обычно они не превышают 1 5 …2 5% от статических потерь и будут рассмотрены далее.

В связи с уменьшением потерь в ключевом режиме уменьшаются и теплоотводящие устройства (радиаторы), а следовательно, резко уменьшаются габариты и масса устройств. Поэтому применение ключевого режима - основной путь улучшения массогабаритных и энергетических показателей электронных устройств.



6.3 Основные статические параметры транзисторов

Основные параметры биполярных транзисторов

По току коллектора:

- максимально допустимый ток коллектора I_к.тах при заданной температуре корпуса (достигает 200 А);

- ток обратно смещенного коллекторного перехода (через запертый транзистор) I_К0.

По напряжению на коллекторе:

- максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер икэтах при токе базы равном нулю (достигает 1000 В);

- напряжение насыщения коллектор-эмиттер U_кэ.нас при заданном токе коллектора (1-2 В и более);

I_к.мах и U_кэ.мах не могут достигать одновременно максимальных значений.

По мощности: максимальная мощность рассеяния на коллекторе Р_к.мах при заданной температуре корпуса.

По управлению:

- коэффициент передачи (усиления) по току в схеме с общим эмиттером в (до сотен, у высоковольтных это единицы);

- максимально допустимое обратное напряжение база-эмиттер U_бэ.мах;

- предельная частота усиления в схеме с общим эмиттером ?_в, при которой коэффициент в уменьшается в .

Тепловые параметры:

- тепловое сопротивление переход-корпус (при применении охладителя) R_Т(П-К);

- тепловое сопротивление переход-окружающая среда (при отсутствии охладителя) R _Т(П-С);

- максимально допустимая температура перехода Т_п.мах.

Здесь R_Т = ДТ/Р_к; ДT - разность температур между окружающей средой или корпусом и переходом.

Основные параметры ПТИЗ и БТИЗ

Основные параметры ПТИЗ и БТИЗ практически одинаковы, только взамен названий электродов сток и исток употребляются термины коллектор и эмиттер.

По току стока:

- максимально допустимый ток стока I_с.мах при заданной температуре корпуса (достигает 100 А у ПТИЗ и 2000 А у БТИЗ);

- ток стока отсечки (через запертый транзистор) I_отс.

По напряжению на стоке:

- максимально допустимое напряжение сток-исток U_си.мах при токе базы равном нулю (достигает 900 В у ПТИЗ и 4500 В у БТИЗ);

I _с.мах и U_си.мах не могут достигать одновременно максимальных значений.

По сопротивлению: сопротивление сток-исток в открытом состоянии при заданном токе стока и напряжении затвор-исток R_си (от десятков мОм до единиц Ом).

По мощности: максимальная мощность рассеяния на стоке Р_с.мах при заданной температуре корпуса.

По управлению:

- крутизна передаточной характеристики S = (dI/dU_з)Uз = const;

- максимально допустимое напряжение затвор-исток U_зи.мах (до 20 В);

- пороговое напряжение затвор-исток U_З0 (2 - 5 В).

Тепловые параметры:

- тепловое сопротивление переход-корпус (при применении охладителя) R_Т(П-К);

- тепловое сопротивление переход-окружающая среда (при отсутствии охладителя) R_Т(П-С).

Параметры для БТИЗ практически те же, но вместо параметра сопротивление сток-исток R_си в открытом состоянии используется напряжение насыщения коллектор-эмиттер U_кэ.нас, которое определяется при заданном токе коллектора и напряжении затвор-эмиттер (1,5 - 3,5 В).

7. Исследование характеристик транзистора на лабораторном стенде

7.1 Снятие статических характеристик транзистора на постоянном токе

Общие сведения

Свойства транзисторов описываются следующими четырьмя семействами характеристик.

Входная характеристика показывает зависимость тока базы I_Б от напряжения в цепи база / эмиттер U_БЭ (при U_КЭ = const).

Выходная характеристика показывает зависимость тока коллектора I_К от напряжения цепи коллектор / эмиттер U_КЭ при различных фиксированных значениях тока базы.

Характеристика управления представляет собой зависимость тока коллектора I_К от тока базы I_Б (при U_КЭ = const).

Характеристика обратной связи есть зависимость напряжения цепи база ¤ эмиттер U_БЭ, от напряжения цепи коллектор / эмиттер U_КЭ при различных фиксированных значениях тока базы.

Экспериментальная часть

Задание

Снять экспериментально и построить графики четырех семейств характеристик биполярного транзистора n-p-n типа.

Порядок выполнения экспериментов

Потенциометр 1 кОм используется для регулирования тока базы, резисторы 100 и 47 кОм - для ограничения максимального тока базы. Регулирование напряжения U_КЭ осуществляется регулятором источника постоянного напряжения. Для предотвращения подачи обратного напряжения на транзистор в цепь коллектора включён диод. Переход эмиттер база также защищён шунтирующим диодом. Измерение тока базы I_Б и напряжения U_БЭ производятся мультиметрами на пределах 200 мА и 2 В соответственно, Пределы измерения тока коллектора I_К и напряжения U_КЭ изменяются в ходе работы по мере необходимости. При сборке схемы предусмотрите перемычки для переключения амперметра из одной ветви в другую.

Установите первое значение тока базы 20 мА, переключите миллиамперметр в цепь коллектора и, изменяя напряжение U_КЭ согласно значениям, указанным в табл. 7.1, снимите зависимости I_К(U_КЭ) и U_БЭ(U_КЭ). Повторите эти измерения при каждом значении I_Б, указанном в таблице.

Примечание: характеристики транзистора изменяются в ходе работы из-за его нагрева. Поэтому для большей определенности рекомендуется установить нужные значения I_БЭ и U_КЭ, выключить на 30 с блок генераторов напряжений, затем включить его и быстро записать показания приборов V1 и A2.

Таблица 7.1

UКЭ, В	IБ = 20 мА	IБ = 40 мА	IБ = 60 мА	IБ = 80 мА
	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В
0	0	0,49	0	0,56	0	0,48	0	0,48
0,5	2	0,69	2,87	0,62	2,8	0,62	4,04	0,63
1	2,2	0,63	2,82	0,63	2,81	0,62	4,04	0,63
2	2,22	0,63	2,9	0,63	2,84	0,62	4,03	0,62
5	2,28	0,63	2,41	0,63	2,82	0,62	4,15	0,62
10	2,35	0,63	2,4	0,63	2,93	0,62	4,26	0,62
15	2,4	0,63	2,27	0,63	3,03	0,62	4,34	0,11

Установить U_КЭ = 0 и изменяя ток базы в соответствии со значениями, указанными в таблице 7.2, снять зависимость U_БЭ(I_Б), увеличив напряжение U_КЭ до 5 В и снова снять зависимость U_БЭ(I_Б), а также и I_К(I_Б). Повторить этот опыт при U_КЭ = 15 В.

На рисунке 7.3 построить графики входных I_Б(U_БЭ) и регулировочных I_К(I_Б) характеристик, указав для каждой кривой соответствующие значения U_КЭ.

Таблица 7.2

IБ, мА	UКЭ = 0 В	UКЭ = 5 В	UКЭ = 15 В
	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА
0	0	0	0	0	0	0
5	0,51	0	0,52	0,06	0,52	0,06
10	0,52	0	0,56	0,16	0,56	0,18
20	0,56	0	0,61	0,46	0,62	0,47
50	0,62	0	0,75	1,95	0,75	2,7
80	0,66	0	0,84	4	0,88	4,11

7.2 Выбор рабочей точки биполярного транзистора и ознакомление с режимами усиления переменного напряжения классов A, B, AB и D

Общие сведения

На рисунке 7.4 изображены простейшая схема транзисторного усилителя с общим эмиттером и поясняющая диаграмма. Резистор R_К является сопротивлением нагрузки, на резисторах R₁ и R₂ выполнен делитель напряжения, создающий постоянный ток в цепи база - эмиттер. Он поддерживает транзистор в открытом состоянии при отсутствии входного сигнала, благодаря чему через сопротивление R_К протекает постоянный ток. При этом напряжение на транзисторе U_КЭ(I_К) = U_ПИТ - R_КI_К. Точки пересечения этой прямой с вольтамперными характеристиками I_К(U_КЭ) позволяют определить напряжение и ток в транзисторе при любом токе базы. В зависимости от начального положения точки покоя (при отсутствии входного сигнала) различают несколько классов усиления.

В класса А точка покоя выбирается в примерно в середине активной зоны от I_{К МАКС} до I_{К ММИН}, в которой характеристики транзистора близки к линейным (точка А на поясняюще диаграмме). В этом случае при подаче на базу переменного сигнала (например, синусоидального) в токе базы появляется переменная составляющая, что вызывает соответствующие изменения тока I_К и напряжения U_КЭ. Рабочая точка при этом перемещается по прямой линии U_ПИТ - R_КI_К между зонами насыщения (I_{К МАКС)} и отсечки (I_{К МИН})_. Если входной сигнал не превышает допустимую величину, то происходит пропорциональное усиление всего сигнала. При превышении допустимого уровня наступает ограничение выходного сигнала на уровнях I_{К МАКС} и I_{К МИН} по току и на уровнях U_{КЭ МИН} и U_{КЭ МАКС} по напряжению.

В классе АВ точка покоя смещена в сторону зоны отсечки, поэтому часть синусоидального сигнала (меньше полупериода) при усилении «обрезается».

В классе В усиливается точно половина синусоидального сигнала. Для этого точка покоя должна выбираться на границе зоны отсечки (точка В, D). В действительности её выбирают несколько выше, чтобы избежать искажений, вызванных существенной нелинейностью начального участка входной характеристики транзистора.

В классе D транзистор работает в ключевом режиме. Для этого точка покоя выбирается также как и в классе В на границе зоны отсечки, но на вход подаётся большой сигнал, чтобы транзистор быстро переходил в режим насыщения. Ещё лучше в этом режиме на вход подавать сигнал прямоугольной формы. Тогда отпадает необходимость в его большой амплитуде. Становится ненужной и цепь, задающая начальное смещение (делитель из резисторов R₁ и R₂), так как при отсутствии входного сигнала транзистор должен быть надёжно закрыт.

Экспериментальная часть

Задание

Экспериментально ознакомиться различными классами усиления. В классах А и В подобрать оптимально точку покоя и определить максимальную амплитуду неискажённого выходного сигнала и допустимую амплитуду входного сигнала. В классе D определить минимальную амплитуду прямоугольного входного напряжения, при которой транзистор надёжно переходит в режим насыщения.

Порядок выполнения экспериментов

Собрать цепь согласно рисунку 7.6 и 7.7. В ней постоянный ток базы регулируется потенциометром 1 кОм и ограничивается постоянным сопротивлением тоже 1 кОм. Последовательно с источником переменного сигнала включен конденсатор 1 мкФ для предотвращения протекания через источник постоянного тока и токоограничивающее сопротивление 1 кОм. Диод включён для защиты эмиттерного перехода от обратного напряжения, а сопротивление 10 Ом для стабилизации характеристик транзистора. Измерение входного и выходного напряжений осуществляется осциллографом, а токов - двумя мультиметрами в режиме миллиамперметров.

Включите осциллограф для наблюдения по двум каналам одновременно (канал I - 0,5 В/дел., канал II - 5 В/дел). Включите мультиметры для измерения постоянных токов (пределы измерения: ток базы - 2 мА, ток коллектора - 200 мА). Включите блок генераторов напряжений и установите частоту синусоидального напряжения 1 кГц, а амплитуду сначала равной нулю. Настройте осциллограф, установите и запомните положение линий нулевого сигнала.

Изменяя напряжение смещения на базе поворотом ручки потенциометра вправо и влево, наблюдайте по осциллографу за изменением напряжения на коллекторе, а по мультиметрам за изменением токов базы и коллектора. Установите напряжение покоя U_{КЭ 0} примерно в середине диапазона его изменения.

Подаёте на вход усилителя синусоидальное напряжение и, регулируя его амплитуду, наблюдайте за изменением выходного сигнала. Уточните положение точки покоя так, чтобы вершины выходного сигнала начинали уплощаться одновременно.

Установить на входе максимальный сигнал, соответствующий неискажённому напряжению на выходе, и запишите в таблице 7.2 токи базы и коллектора и напряжение, амплитуды входного и выходного напряжений, перерисовать осциллограммы.

Регулируя смещение в сторону зоны отсечки (закрывания транзистора), добейтесь, чтобы усиливалась точно половина периода синусоиды. Увеличить входное напряжения до максимального значения, при котором выходной сигнал не искажается, подкорректировать ещё раз смещение и записать в таблицу 7.2 параметры режима усиления в классе В.

Примечание. I_{Б 0}, I_{К 0} и U_{КЭ 0} измерять при отключённом входном сигнале!

Таблица 7.2

Класс	IБ 0, мА	IК 0, мА	UКЭ 0, В	UВХ МАКС, В	UВЫХ МАКС, В
А	0,217	18,5	10	1,8	14
В	0,272	21,1	6,5	2,7	15
D (~U)	0,257	21,9	7	2,4	14

Увеличивая входной сигнал, убедиться, что выходной сигнал принимает форму трапеции. Переключить форму входного сигнала с синусоиды на прямоугольник и убедиться, что выходной сигнал тоже стал прямоугольным. Отключить цепь смещения и убедиться, что выходной сигнал не изменился.

Подобрать и записать минимальную амплитуду входного прямоугольного сигнала, при которой транзистор надёжно переходит в режим насыщения.

U_{мин.прямоуг.} = …В.

7.3 Снятие статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом

Общие сведения

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются тем, что затвор выполнен в виде слоя металла, отделённого от полупроводникового канала тонким изолирующим слоем оксида кремния. Поэтому их называют МОП-транзисторами (металл - окисид - полупроводник). Канал между истоком и стоком МОП-транзистора можем быть встроенным, т.е. специально изготовленным или наведённым. В первом случае характеристики МОП-транзистора аналогичны характеристикам транзистора с p-n переходом, но отличаются возможностью работы с прямым смещением затвора (в режиме обогащения).

В подложке типа р изготовлены только небольшие области противоположного типа проводимости. При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока к затвору будут притягиваться электроны, в то время как дырки от него будут оттесняться. При некотором напряжении, называемым пороговым (U_ЗИпор) под затвором образуется n-слой, перемыкающий n-области под истоком и стоком. Вся стоко-затворная характеристика лежит в области обогащения.

В МОП транзисторе с индуцированным каналом типа р структура симметрична, и аналогичные процессы протекают при отрицательном напряжении на затворе.

Экспериментальная часть

Задание

Снять статические выходные характеристики и стоко-затворную характеристику МОП-транзистора с индуцированным каналом типа n, определить пороговое напряжение U_ЗИпор, максимальную крутизну стоко-затворной характеристики S, сопротивления канала в ключевом режиме (в закрытом состоянии R_СИзакр и в открытом - R_СИоткр).

Порядок выполнения экспериментов

Собрать цепь для снятия характеристик транзистора. Диод Д226 включен в схему для предотвращения подачи отрицательного напряжения на транзистор при снятии выходных характеристик. Диод, показанный внутри микросхемы IRFD024 является паразитным элементом, обусловленным конструкцией p-n переходов в транзисторах подобного типа.

Включите блок генераторов напряжений и мультиметры. Регулируя напряжение на затворе потенциометром, определите пороговое напряжение, при котором появляется ток стока.

U_ЗИпор = …В.

Устанавливая потенциометром напряжения на затворе, указанные в таблице 7.3, снимите стоко-затворную характеристику.

Таблица 7.3

UЗИ, В	3,5	3,6	3,7	3,8	3,9	4,0	4,1	4,2	4,3	4,4
IC, мА	0,01	0,02	0,03	0,09	0,13	0,17	0,18	0,18	0,18	0,18

Построить график стоко-затворной характеристики (рис. 2.9.4) и определите крутизну:

Для снятия выходных характеристик транзистора переключите питание на регулируемый источник постоянного напряжения -13…+13 В, как показано на схеме пунктиром, установить напряжение на затворе равным 3,9 В и переключить вольтметр для измерения напряжения U_СИ.

Регулируя напряжение питания от 0 до максимального значения (13…14.В), снять зависимость I_С(U_СИ) при U_ЗИ = 3,9 В (табл. 7.4).

Таблица 7.4

UСИ, В	0	0,2	0,5	1
IС, мА	при UЗИ=3,9 В	0	69,9	80	82,6
	при UЗИ=4 В	0	90,8	100	110
	при UЗИ=4,1 В	0	150	190	203
	при UЗИ=4,2 В	0



Переключите снова вольтметр для измерения напряжения U_ЗИ, установите потенциометром U_ЗИ = 4 В, переключите вольтметр обратно для измерения напряжения U_СИ и снимите зависимость (U_СИ) при U_ЗИ = 4 В.

Аналогично снимите выходные характеристики при других значениях U_ЗИ.

Установить такое напряжение на затворе, при увеличении которого ток стока не изменяется (полностью открытое состояние транзистора) и определите сопротивление:

R_СИоткр= U_СИ/ I_С = …Ом.

Установить на затворе напряжение равным нулю и определите сопротивление транзистора в закрытом состоянии:

R_СИоткр= U_СИ/ I_С = …Ом.

Примечание: В последнем опыте ток весьма мал, поэтому для его измерения необходимо отключить вольтметр и переключить прибор на минимальный предел измерения тока.

7.4 Экспериментальное определение основных характеристик тиристоров

Общие сведения

Тиристоры - переключающие полупроводниковые приборы, имеющие четырёхслойную структуру. Они имеют два устойчивых состояния: открытое (проводящее) и закрытое (непроводящее). Они выпускаются с двумя или тремя выводами. В первом случае они называются динисторами (или диодными тиристорами) во втором - тринисторами (триодными или управляемыми тиристорами).

При прямом приложенном напряжении, показанном на рисунках, левый и правый p - n переходы открыты, а средний закрыт. Через тиристор протекает лишь незначительный ток неосновных носителей. По мере увеличения прямого напряжения энергия носителей заряда, проходящих через запертый n₁ - p₂ увеличивается и при некотором напряжении (U_ВКЛ) возникает ударная ионизация атомов полупроводника в зоне n₁ - p₂ перехода, ток резко возрастает, два транзистора открываются, напряжение на тиристоре резко падает, и он переходит в открытое состояние. Вольт-амперная характеристика открытого тиристора аналогична вольт-амперной характеристике диода. При снижении тока тиристор остаётся в открытом состоянии до некоторого небольшого тока, называемого током удержания (I_УД).

Управляемые тиристоры имеют кроме основных выводов «Анод» и «Катод» третий вывод «Управляющий электрод». Он показан на рисунке 7.14 в пунктиром. Подавая на него импульс тока положительной полярности, мы принудительно открываем один из транзисторов, второй транзистор также открывается, так как через его базу начинает протекать ток коллектора другого транзистора. При токе управления, превышающем открывающий ток управления (I _{откр. у}) вольт-амперная характеристика тиристора полностью аналогична характеристике диода.

Важно, что управляемый тиристор остаётся во включенном состоянии и после снятия управляющего тока. Он выключается только при снижении тока через него ниже тока удержания. Причём, для того чтобы тиристор не включился самопроизвольно при следующей подаче на него прямого напряжения, он должен находиться в выключенном состоянии определённое время, называемое временем восстановления запирающих свойств. Кроме того, скорость нарастания анодного напряжения не должна превышать для данного типа тиристоров допустимую величину.

Экспериментальная часть

Задание

Снять статические вольт-амперные характеристики динистора, управляемого тиристора и триодного симистора. Определить напряжение включения динистора, минимальные открывающие ток тиристора и симистора, токи удержания.

Порядок выполнения эксперимента

Плавно увеличивая напряжение регулируемого источника напряжения, определите напряжение включения динистора (это наибольшее напряжение, при котором ток еще равен нулю, при дальнейшем увеличении напряжения источника ток возрастает скачком, а напряжение на динисторе скачком уменьшается). Запишите значение U_ВКЛ в таблице 7.5

Плавно уменьшая напряжение регулируемого источника напряжения, определить ток удержания динистора (это наименьшее значение тока, при котором динистор еще остается включенным, при дальнейшем снижении напряжения источника ток скачком падает до нуля, а напряжение на динисторе скачком возрастает). Запишите значение I_УД также в табл. 7.5

Привести динистор во включенное состояние и, уменьшая напряжение регулируемого источника, поочередно устанавливать значения тока, указанные в табл. 7.5 и записать соответствующие напряжения на динисторе.

Таблица 7.5

	I, мА	5	10	20	30	40	50
Динистор (IУД=0,4 мА, UВКЛ=18,7 В)	U, В	0,66	0,69	0,72	0,74	0,75	0,77
Тринистор (IУД=0,4 мА, Iоткр.у=30 мА)	U, В	0,79	0,81	0,81	0,86	0,86	-
Симистор при +U (IУД=0,4.мА, Iоткр.у=0,63.мА, 5,3мА)	U, В	0,7	0,76	0,76	0,82	0,85	-
Симистор при U (IУД=0,4.мА, Iоткр.у=4,03мА, 2,3мА)	U, В	0,7	0,8	0,8	0,84	0,85	-

Собрать цепь для исследования характеристик управяемых тиристоров. Ручку потенциометра поверните вправо до упора (ток управления равен нулю).

Включите питание и, вращая ручку регулятора постоянного напряжения влево и вправо до упора, убедитесь, что тиристор закрыт, как при прямом, так и при обратном приложенном напряжении.

Оставьте ручку регулятора постоянного напряжения в крайнем правом положении, и потенциометром увеличивайте ток управления до тех пор, пока не включится лампочка, что свидетельствует о переходе тиристора в открытое состояние. Верните ручку потенциометра в правое крайнее положение и убедитесь, что и при отсутствии тока управления тиристор остаётся включённым.

Выключите тиристор кратковременным разрыванием анодной цепи или снижением приложенного напряжения до любого отрицательного значения.

Снова включив тиристор и, плавно уменьшая напряжение регулируемого источника напряжения, определите ток удержания тиристора (Определяйте его при токе управления равном нулю!). Запишите значение I_УД также в таблице 7.5.

Медленно увеличивая ток управления потенциометром (при максимальном анодном напряжении и непроводящем состоянии тиристора), зафиксировать ток управления, при котором происходит включение тиристора. Проделать этот опыт несколько раз и записать I_откр.у в таблицу 7.5

Заменить тиристор симистором МАС97А6, сопротивление в цепи управления 10 кОм на 1 кОм и проделать аналогичные опыты по определению I_откр.у, при двух напряжениях питания: +13 В (ручка регулятора в правом крайнем положении) и 13 В (ручка регулятора в левом крайнем положении). В каждом из этих случаев симистор может открываться как положительным током управления, так и отрицательным. Для получения отрицательного тока управления переключите питание потенциометра с гнезда +15 В на гнездо 15 В.



Заключение

Современный мир трудно представить без полупроводниковых приборов. Они открывают большие возможности в самых различных областях науки, техники, быту, медицине, военной и аэрокосмической отраслях.

Основной целью дипломного проекта является разработка стендов для изучения и исследования полупроводниковых приборов с использованием современных компонентов оборудования «Основы аналоговой электроники» предназначенных для быстрого освоения лабораторного практикума по разделам курсов «Электронная техника», «Промышленная электроника», «Электроника и микроэлектроника».

В проекте рассмотрены следующие вопросы:

классификация полупроводниковых приборов и их применение в преобразователях энергии и передаче информации;

система условных обозначений диодов и транзисторов. Основные характеристики и параметры. Способы охлаждения. Расчёт нагрузочной способности;

исследования силовых полупроводниковых приборов на лабораторном стенде;

специальные типы диодов. Система условных обозначений. Основные характеристики и параметры;

транзисторы. Система обозначений. Основные характеристики и параметры;

охрана труда и техника безопасности при проведении работ;

технико-экономический расчет;

безопасность в чрезвычайных ситуациях.



Библиографический список

1 Федеральный закон «О железнодорожном транспорте Российской Федерации». // Российская газета от 18.01.2003 г.

2 Федеральный закон «Об энергетике» от 26.03.2003 г. №35 ФЗ // Российская газета от 01.04.2003 г.

3 Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 г. И на перспективу до 2030 г. №269 р - М.: ОАО «РЖД», 2008, -76 с.

4 Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог. ЦЭ-462. - М.: МПС, 1997. - 147 с.

5 Концепция модернизации устройств электроснабжения железных дорог. - М.: МПС, Департамент электрификации и электроснабжения, 1999. - 147 с.

6 Межотраслевые правила по охране труда (Правила безопасности) при эксплуатации электроустановок. ПОТ Р М - 016 - 2001 РД 153-34.0 - 03.150-00. С изменениями и дополнениями, утверждёнными Минтруда России. - 2003.

7 Инструкция по технике безопасности при эксплуатации тяговых подстанций, пунктов питания и секционирования железных дорог. ЦЭ-4054. - 17.03.2008 г.

8 Правила безопасности при эксплуатации контактной сети и устройств электроснабжения автоблокировки железных дорог ОАО «РЖД» ДЭЭ №103, 16.12.2010 г.

9 Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / Г.И. Волович. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005. - 528 с.

10 Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / П.А. Воронин. - 2-е издание перераб. и доп. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005. - 384 с.

11 Преобразовательная техника. Полупроводниковые приборы и элементы микроэлектроники: учебное пособие / М.В. Гельман. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 200. - Ч. 1. - 106 с.

12 Преобразовательная техника: учебное пособие / М.В. Гельман. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. - Ч. 2. - 104 с.

13 Преобразовательная техника: учебное пособие / М.В. Гельман. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - Ч. 3. - 155 с.

14 Проектирование тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока: учебное пособие / М.В. Гельман. - Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1996. - 91 с.

15 Электронная техника и преобразователи: учебник для выхов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

16 Полупроводниковые приборы: учебник для вузов/ Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков / под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энерго, том издат, 1990. - 576 с.

17 Силовая электроника: от простого к сложному / Б.Ю. Семёнов. - М.: СОЛОН-ПРЕСС. 2006. - 416 с.

18. Полупроводниковые выпрямители / В.И. Преображенский. - М.: Энергия, 1976. - 120 с.

19 Преобразовательная техника: учебное пособие к лабораторным работам / М.В. Гельман, М.М. Дудкин, Н.М. Сапрунова, О.Г. Терещина. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. - 161 с.

20 «Оформление текстовых документов». Методические указания /Сост. В.А. Болотин, В.В. Ефимов, В.П. Игнатьева, Н.В. Фролова, - СПб.:ПГУПС, 2002. - 44 с.

21 И.Н. Соколова, Э.П. Селедцов. «Разработка технико-экономических вопросов в дипломных проектах». Методические указания для студентов электромеханического факультета специализации «Системы электроснабжения и автоматики». - Л.:ЛИИЖТ, 1980. - 33 с.

Размещено на Allbest.ru