Дослідження характеристик напівпровідникового стабілітрона

Завдання роботи:

дослідити провідні властивості напівпровідникового стабілітрона, побудувати його вольт-амперну характеристику.

Обладнання:

робоча станція NI ELVIS II, блок живлення станції; USB-кабель, ПК, плата «Аналогові елементи інформаційно-вимірювальної техніки».

Основні терміни та поняття

Напівпровідники. Напівпровідникові діоди. Напівпровідниковий діод і стабілітрон Напівпровідникові діоди Стабілітрони і їх застосування

Теоретична частина

Рис. 1. Загальний вигляд обладнання

Стабілітроном (діодом Зенера) називається напівпровідниковий діод, що працює при зворотному зміщенні в режимі пробою. До настання пробою через стабілітрон протікають незначні струми витоку, а його опір є досить великим. При настанні пробою струм через стабілітрон різко зростає, а опір спадає до величини, що може складати для різних приладів від часток Ома до сотень Ом. Тому в режимі пробою напруга на стабілітроні підтримується із заданою точністю в широкому діапазоні зворотних струмів. Ця напруга називається напругою стабілізації стабілітрона – U_CT.

Приклад вольт-амперної характеристики (ВАХ) стабілітрона наведено на рис. 2. Також на рис. 2 вказана полярність підключення стабілітрона для обох гілок ВАХ.

Рис. 2. Вольт-амперна характеристика стабілітрона

З рисунку 2 видно, що при подачі напруги в прямому напрямку ВАХ стабілітрона ідентична ВАХ звичайного напівпровідникового діода. При подачі напруги у зворотному напрямку по мірі її збільшення струм спочатку незначний і дорівнює струму витоку, а при досягненні напруги пробою різко зростає. При цьому після настання пробою падіння напруги на стабілітроні практично не змінюється.

Отже, стабілітрони – це різновид діодів, що в режимі прямих напруг проводять струм як звичайні діоди, а при зворотній напрузі струм різко зростає тільки в ділянці напруг, близьких до пробою («зенерівська напруга»). Прилад отримав назву на честь імені його першовідкривача Кларенса Зенера.

Основне призначення стабілітронів – це стабілізація напруги. Серійні стабілітрони виготовляються на напруги від 1,8 до 400 В.

У лабораторній роботі пропонується отримати та дослідити ВАХ напівпровідникового стабілітрона за допомогою навчальної лабораторії NI ELVIS II.

У роботі використовується плата «Аналогові елементи інформаційно-вимірювальної техніки», яка містить модуль для дослідження напівпровідникового стабілітрона (рис. 3).

Лабораторна робота може бути виконана дистанційно. Робоча станція стаціонарно підключена до ПК в лабораторії «МАНЛаб». На сайті розміщено календар лабораторних робіт з використанням NI ELVIS II. Віддалений доступ до ПК, до якого підключена станція, здійснюється за допомогою програми «TeamViewer». Для отримання віддаленого доступу для виконання лабораторних робіт необхідно оформити заявку та отримати ключ доступу до ПК.

Рис. 3. Модуль для дослідження напівпровідникового стабілітрона

Хід роботи

1. Відкрийте файл Lab4(M3) (рис. 4).

Рис. 4. Вікно лабораторної роботи

2. У відкритому вікні зліва виставте діапазон вхідних напруг, які будуть подаватися на вимірювальну схему під час проведення досліду (рис. 5):

Uвх.min = -8 В;

Uвх.max = 3 В.

Рис. 5

3. Натисніть кнопку «Измерение». На графіку з правого боку вікна має з’явитися вольт-амперна характеристика стабілітрона.
4. Правіше від віконець встановлення діапазону вхідних напруг є віконце встановлення вхідної напруги зі стрічкою прокрутки (рис. 6). Установіть стрічку прокрутки в найнижче положення, що відповідає Uвх.min = -8 В, за допомогою прокрутки у віконці збільшуйте вхідну напругу з кроком 0,2…0,4 В та записуйте до таблиці результатів значення падіння напруги на стабілітроні Uд та струму Ід. При цьому на графіку вольт-амперної характеристики стабілітрона можна спостерігати точку, яка відповідає заданій вами вхідній напрузі.

Рис. 6

5. За допомогою тих самих інструментів, що використовувалися в п. 4, визначте, за якого зворотного падіння напруги струм через стабілітрон буде дорівнювати -1 мА. Це значення напруги відповідатиме напрузі стабілізації стабілітрона U_СТ.
6. Натисніть «Завершение работы».

Аналіз даних

1. За отриманими даними побудуйте вольт-амперну характеристику стабілітрона.
2. Розрахуйте для кожної точки значення опору стабілітрона за формулою:

(1)

3. Побудуйте графіки залежності опору стабілітрона від прикладеної напруги та струму, що проходить через нього.
4. Дійдіть висновків про провідні властивості напівпровідникового стабілітрона. Чим вони відрізняються від провідних властивостей звичайних резистора та діода? Як змінюється опір напівпровідникового стабілітрона залежно від прикладеної напруги та струму, що проходить через нього?
5. На рисунку 7 представлена вольт-амперна характеристика стабілітрона з паралельно увімкненим резистором (рис. 3, резистор R2 з номінальним опором увімкнений).

Рис. 7

Чим ця характеристика відрізняється від отриманої вами і чому? Чи можна стверджувати, що стабілітрон обмежує і стабілізує напругу на резисторі R2?

Таблиця результатів