 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Методи розрахунку простих нелінійних ЕЛ
При розрахунку нелінійних ЕЛ застосовуються графоаналітичні методи, засновані на застосуванні законів Кірхгофа і використанні заданих ВАХ елементів які використовуються ланцюзі. Перш за все, розглянемо ЕЛ, що складається з двох послідовно сполучених нелінійних резисторів НС1 и НС2 (рис. 3.2). ВАХ резисторів 1 и 2 приведені на рис. 3.3.
Рисунок 3.2 – Принципова схема досліджуваного ланцюга з послідовним включенням НЕ
Рисунок 3.3 – ВАХ нелінійних резисторів НС1, НС2
До ланцюга підведена напруга U, і вона дорівнює сумі падінь напруги на НС1 і НС2:
U (I) = U1 (I) + U2 (I). (3.1)
По всьому ланцюгу протікає один і той же струм I, оскільки НС1 і НС2 сполучені між собою послідовно. Для визначення струму в ЭЦ потрібно побудувати результуючу ВАХ ланцюга. Для побудови цієї характеристики слід підсумовувати абсциси кривих 1 і 2 (аг = ав + аб), відповідні одним і тим же значенням струму (рис. 2.3). Далі, задаючись довільним значенням струму можна побудувати ВАХ всього ланцюга (рис. 3.3, крива 3). Потім, користуючись цією ВАХ, можна знайти струм всього ланцюга і напруги на резисторах НС1 и НС2. Для цього відкладемо на осі абсцис відрізок ОР і проведемо з точки р пряму (паралельну осі ординат або перпендикулярну осі абсцис) до перетину з кривою 3. Так одержимо відрізок nр = ко= I. (сила струму всього ланцюга). Для знайденого струму по ВАХ 1 і ВАХ 2 знаходимо напруги U1 і U2:
U1 = кd; U2 = кс.
При паралельному з'єднанні двох НЕ (рис. 3.4) струм в нерозгалуженій частині ЭЛ рівний сумі струмів окремих гілок.
Рисунок 3.4 - Принципова схема досліджуваного ланцюга з паралельним включенням НЕ
Тому при побудові результуючої ВАХ всього ланцюга слід підсумовувати ординати графіків 1 і 2 (рис. 3.5), відповідні одним і тим же значенням напруги, оскільки до цього НЕ прикладена одна і та ж напруга, яка дорівнює напрузі зовнішньої мережі, тобто джерела живлення.
Рисунок 3.5 – до визначення параметрів ланцюга з паралельним включенням НЕ
Наприклад, для довільного значення напруги U = oа знаходимо ординату аг крапки для результуючої кривої 3:
аг = ав + аб.
Далі, задаючись довільним значенням напруги, можна побудувати ВАХ всього ланцюга, рис. 3.5, (кривая 3). Потім, користуючись ВАХ, можна при будь-якому значенні прикладеної напруги U (відрізок ор) знайти величину загального струму I (рn = ок). Це напруга U також визначає значення струмів I1 і I2 у окремих гілках.
У разі змішаного з'єднання НЕ (рис. 3.6).
Рисунок 3.6 - Принципова схема досліджуваного ланцюга із змішаним включенням НЕ
Рисунок 3.7 - до визначення параметрів ланцюга із змішаним включенням НЕ
У разі змішаного з'єднання НЭ (рис. 3.6), розрахунок ланцюга проводять в наступному порядку:
1. Паралельно з’єднані НЕ (НС1 і НС2) замінюють одним еквівалентним нелінійним опором НС з ВАХ 4 (рис. 3.7), яка одержана шляхом підсумовування кривих 1 і 2 по напрузі, тобто так само, як і у разі паралельних з'єднань двох НЕ.
2. Для отримання послідовного ланцюга будують результуючу ВАХ 5 шляхом підсумовування кривих 3 і 4 по струму, тобто так само, як і при послідовному з'єднанні двох нелінійних НЕ.
3. По результуючій ВАХ 5 визначають для заданого значення загальної напруги величину струму I3 у нерозгалуженій частині ланцюга.
4. Струм I3 визначає напругу U3 і Uаб, а напруга Uаб, дозволяє по графіках 1 і 2 визначити струми I1 і I2 у гілках НС1 і НС2.
2.4 Порядок виконання роботи
1. Зібрати у програмі Electronics Workbench схему для дослідження режимів роботи ланцюга, що містить нелінійні елементи (відповідно до рис. 2.1). Нелінійні елементи що входять в досліджуваний ланцюг і величину резистора R1 вибираються згідно варіантам таблиці 2.1. номер варіанту для конкретного студента визначає викладач який проводить лабораторні роботи.
Таблиця 3.1 – параметри досліджуваного ланцюга
| № варіанту | Номери нелінійних елементів | Номінал резистора R1, Ом | |
| NE1 | NE2 | ||
| NE1 | NE4 | ||
| NE2 | NE5 | ||
| NE3 | NE5 | ||
| NE9 | NE7 | ||
| NE10 | NE8 | ||
| NE1 | NE8 | ||
| NE2 | NE7 | ||
| NE3 | NE6 | ||
| NE9 | NE5 | ||
| NE10 | NE4 |
2. у окремому вікні зібрати схему для дослідження ВАХ нелінійних елементів тих, що входять в досліджуваний ланцюг (рис 3.8). Встановити напругу джерела Е1 рівним 0,1В.
Рисунок 3.8. – Принципова схема ланцюга для дослідження ВАХ НЕ
3. Включити схему, за допомогою перемикача 
, або натиснувши на клавіатурі Ctrl+G. Дочекатися стабільних показань вимірювальних приладів і записати показання вимірювальних приладів у таблицю 3.2. Вимкнути схему, натиснувши на клавіатурі Ctrl+Т.
таблиця 3.2 – результати вимірів окремих точок ВАХ НЕ
| Напруга джерела Е1, В | Нелінійний елемент NE1 | Нелінійний елемент NE2 | ||
| Свідчення вольтметра V1, В | Свідчення амперметра A1, А | Свідчення вольтметра V1, В | Свідчення амперметра A1, А | |
| 0,1 | ||||
4. змінюючи напругу джерела Е1 ступенями через 1В, до величини 10В, зняти крапки ВАХ використовуваних НЕ. Результати вимірювань занести в таблицю 3.2.
5. Побудувати ВАХ використовуваних НЕ на одному графіку. На тому ж графіку побудувати ВАХ резистора R1.
6. Розрахувати (теоретично) і побудувати загальну ВАХ досліджуваного ланцюга на тому ж графіку де будувалися ВАХ окремих елементів. Дані розрахунків занести в таблицю 2.3.
7. повернутися у вікно програми Electronics Workbench де построєна досліджувана схема. Встановити напругу джерела Е1 рівним 0,1В.
8. Включити схему за допомогою перемикача , або натиснувши на клавіатурі Ctrl+G. Дочекатися стабільних показань вимірювальних приладів і записати показання вимірювальних приладів у таблицю 3.3. Вимкнути схему, натиснувши на клавіатурі Ctrl+Т і.
9. Послідовно збільшувати величину напруги джерела Е1 до 10В, шагом 1В, фіксуючи при цьому показання вимірювальних приладів і заносячи їх в таблицю 3.3.
10. за наслідками вимірювань побудувати ВАХ досліджуваного ланцюга і порівняти її з розрахованою.
Таблиця 3.3 – Результати досліджень робочого режиму
| Напруга джерела Е1, В | Розрахункові дані | Експериментальні дані | ||||||
| Свідчення вольтметра V1, В | Свідчення амперметра A1, А | Свідчення амперметра A2, А | Свідчення амперметра A3, А | Свідчення вольтметра V1, В | Свідчення амперметра A1, А | Свідчення амперметра A2, А | Свідчення амперметра A2, А | |
| 0,1 | ||||||||
2.5 Зміст звіту
До звіту заносять:
- тему та мету роботи;
- принципову схему електричного кола, яке аналізується;
- результати вимірювання струмів та напруг на окремих ділянках досліджуваного кола;
- результати розрахунку (з урахуваням похибок) ВАХ нелінійних елементів і ланцюга в цілому;
- графіки ВАХ нелінійних елементів і ланцюга в цілому :
- висновки по роботі.
2.6 Контрольні питання
1. Які елементи і ланцюги називаються нелінійними?
2. чи відноситься резистор до нелінійних елементів?
3. Нарисуйте вигляд ВАХ напівпровідникового діода.
4. Нарисуйте вигляд ВАХ лампи розжарювання.
5. Намалюйте вигляд ВАХ напівпровідникового стабілітрона.
6. Які етапи необхідно виконати, щоб графічно розрахувати нелінійний ланцюг із змішаним з'єднанням НЕ?
Лабораторна робота № 4
Практичні Дослідження характеристик та параметрів нелінійних напівпровідникових приладів
4.1 Мета роботи: вивчити основні властивості, характеристики і параметри напівпровідникових діодів, експериментально досліджувати їх вольт-амперні характеристики (ВАХ).
4.2 Зміст роботи
Для заданого електричного кола (рис. 4.1):
- встановити задані параметри джерела живлення електричного кола;
- провести необхідні вимірювання величин струмів та напруги;
- построить вольтамперные характеристики исследуемых нелинейных полупроводниковых приборов.
Рисунок 4.1 –Електричне коло для дослідження ланцюгів змінного струму
4.3 Теоретичні відомості
Основним елементом більшості напівпровідникових приладів є електронно-дірковий перехід (р-n перехід), що є перехідним шаром між двома областями напівпровідника, одна з яких має електронну електропровідність, а інша - діркову.
Розглянемо докладніше процес утворення p-n переходу. Рівноважним називають такий стан переходу, коли відсутня зовнішня напруга. Нагадаємо, що в р- області є два види основних носіїв заряду: нерухомі негативно заряджені іони атомів акцепторної домішки 
і вільні позитивно заряджені дірки; а в n-області є також два види основних носіїв заряду: нерухомі позитивно заряджені іони атомів акцепторної домішки 
і вільні негативно заряджені електрони.
До зіткнення p і n областей електрони дірки і іони домішок розподілені рівномірно. При контакті на межі p і n областей виникає градієнт концентрації вільних носіїв заряду і дифузія. Під дією дифузії електрони з n-області переходить в p-область і рекомбінують там з дірками. Дірки з р-області переходять в n-область і рекомбінують там з електронами. В результаті такого руху вільних носіїв заряду в прикордонній області їх концентрація убуває майже до нуля і в теж час в р- області утворюється негативний просторовий заряд іонів акцепторної домішки, а в n-області позитивний просторовий заряд іонів донорної домішки. Між цими зарядами виникає контактна різниця потенціалів φк і електричне поле Ек, яке перешкоджає дифузії вільних носіїв заряду з глибини р- і n-областей через р-n-перехід. Таким чином область, об'єднана вільними носіями заряду з своїм електричним полем і називається р-n-переходом.
P-n-перехід характеризується двома основними параметрами:
1. Висота потенційного бар'єру. Вона дорівнює контактній різниці потенціалів φк. Це різниця потенціалів в переході, обумовлена градієнтом концентрації носіїв заряду. Це енергія, якою повинен володіти вільний заряд, щоб подолати потенційний бар'єр:
де k – постійна Больцмана; е – заряд електрона; Т – температура; Nа і NД – концентрації акцепторів і донорів в дірковій і електронній областях відповідно; рр і рn – концентрації дірок в р- і n-областях відповідно; ni – власна концентрація носіїв заряду в нелегованому напівпровіднику, jт=кТ/е - температурний потенціал. При температурі Т =270С jт =0.025В, для германієвого переходу jк =0,4В, для кремнієвого переходу jк =0,8В.
2. Ширина p-n-переходу (рис.4.2) – це прикордонна область, збіднена носіями заряду, яка розташовується в p і n областях: lp-n = lp + ln:
, звідси 
,
де ε – відносна діелектрична проникність матеріалу напівпровідника; ε0 — діелектрична постійна вільного простору.
Рисунок 4.2 – Розподіл носіїв в P-n-переході
Товщина електронно-діркових переходів має порядок (0,1-10)мкм. Якщо Na = ND, то lp = ln і p-n-перехід називається симетричним, якщо Na>ND (Na<ND), то lp < ln (lp > ln) і p-n-перехід називається несиметричним, причому він в основному розташовується у області напівпровідника з меншою концентрацією домішки.
У рівноважному стані (без зовнішньої напруги) через р-n перехід рухаються два потоки зарядів (протікають два струми) на зустріч один одному. Це дрейфовий струм не основних носіїв заряду і дифузійний струм, який пов'язаний з основними носіями заряду. Оскільки зовнішня напруга відсутня, і струму в зовнішньому ланцюзі немає, то дрейфовий струм, і дифузійний струм взаємно врівноважуються і результуючий струм рівний нулю
Iдр + Iдиф = 0.
Це співвідношення називають умову динамічної рівноваги процесів дифузії і дрейфу в ізольованому (рівноважному) p-n-переході.
Поверхня, по якій контактують p і n області називається металургійною межею. Реально вона має кінцеву товщину - δм. Якщо δм<< lp-n, то p-n-перехід називають різким. Якщо δм>> lp-n, тоб p-n-перехід називають плавним.
Р-n перехід при зовнішній напрузі, прикладеній до нього
Зовнішня напруга порушує динамічну рівновагу струмів в p-n-переході. P-n-перехід переходить в нерівноважний стан. Залежно від полярності напруги прикладеного до областей в p-n-переходу можливо два режими роботи.
1) Прямий зсув p-n переходу. Р-n перехід вважається зміщеним в прямому напрямі, якщо позитивний полюс джерела живлення приєднаний до р- області, а негативний до n-області (рис.4.3)
Рисунок 4.3
При прямому зсуві, напруги jк і U направлені назустріч один одному, результуюча напруга на p-n-переході убуває до величини jк - U. Це призводить до того, що напруженість електричного поля убуває і поновлюється процес дифузії основних носіїв заряду. Крім того, пряме зсуві зменшує ширину p-n переходу, оскільки lp-n≈ (jк – U)1/2. Струм дифузії, струм основних носіїв заряду, стає багато більше дрейфового. Через p-n-перехід протікає прямий струм
Iр-n=Iпр=Iдиф+Iдр @Iдиф.
При протіканні прямого струму основні носії заряду р- області переходять в n-область, де стають не основними. Дифузійний процес введення основних носіїв заряду в область, де вони стають не основними, називається інжекцією, а прямий струм - дифузійним струмом або струмом інжекції. Для компенсації не основних носіїв заряду тих, що накопичуються в p і n-областях в зовнішньому ланцюзі виникає електронний струм від джерела напруги, тобто принцип електронейтральності зберігається.
При збільшенні U струм різко зростає, 
, 
- температурний потенціал, і може досягати великих величин оскільки пов'язаний з основними носіями концентрація яких велика.
2) Зворотний зсув, виникає, коли до р-області прикладений мінус, а до n-області плюс, зовнішнього джерела напруги (рис.4.3).
Рисунок 4.4
Така зовнішня напруга U включена послідовно з jк. Вона збільшує висоту потенційного бар'єру до величини jк + U; напруженість електричного поля зростає; ширина p-n переходу зростає, оскільки lp-n≈(jк + U)1/2; процес дифузії повністю припиняється і через p-n перехід протікає дрейфовий струм, струм неосновних носіїв заряду. Такий струм p-n-переходу називають зворотним, а оскільки він пов'язаний з неосновними носіями заряду, які виникають за рахунок термогенерації то його називають тепловим струмом і позначають - I0, т.е.
Iр-n=Iобр=Iдиф+Iдр @Iдр= I0.
Цей струм малий по величині оскільки пов'язаний з неосновними носіями заряду, концентрація яких мала. Таким чином, p-n переходу володіє односторонньою провідністю.
При зворотному зсуві концентрація неосновних носіїв заряду на межі переходу дещо знижується в порівнянні з рівноважною. Це приводить до дифузії неосновних носіїв заряду з глибини p і n-областей до межі p-n переходу. Досягнувши її неосновні носії потрапляють в сильне електричне поле і переносяться через p-n перехід, де стають основними носіями заряду. Дифузія неосновних носіїв заряду до межі p-n переходу і дрейф через нього в область, де вони стають основними носіями заряду, називається екстракцією. Екстракція і створює зворотний струм p-n переходу - це струм неосновних носіїв заряду.
Величина зворотного струму сильно залежить: від температури навколишнього середовища, матеріалу напівпровідника і площі p-n переходу.
Температурна залежність зворотного струму визначається виразом
,
де 
- номінальна температура, 
- фактична температура, 
- температура подвоєння теплового струму
.
Тепловий струм кремнієвого переходу багато менше теплового струму переходу на основі германію 
(на 3-4 порядка). Це пов'язано з jк матеріалу.
Із збільшенням площі переходу зростає його об'єм, а отже зростає число неосновних носіїв тих, що з'являються в результаті термогенерациі і теплового струму.
Отже, головна властивість p-n-переходу - це його одностороння провідність. Його ВАХ приведена рис.4.5.
Рисунок 4.5 – Конструкція і ВАХ напівпровідникового діода
Поиск по сайту: