Диоды и их применение

Уральский

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Физические основы электроники

Контрольная работа

Тема: «Диоды и их применение»

Преподаватель: Секисов Ю.Н.

Студент: Габдрахимов М.Х.

Екатеринбург 2013

• I. Исходные данные
• II. Задача 1
• III. Задача 2
• IV. Задача 3
• VI. Задача 5
• VII. Задача 6
• VIII. Перечень используемой литературы

I. Исходные данные

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

II. Задача 1

Вычислить напряжение на переходе при прямом включении при заданной температуре и заданном токе. Выяснить влияние температуры на прямое напряжение, увеличив температуру на указанное число градусов. Необходимые данные взять из таблицы 1.

Решение

1. Из уравнения вольт-амперной характеристики диода:

найдём напряжение на p-n-переходе:

где, обратный ток насыщения

поправочный коэффициент

температурный потенциал

2. Определим обратный ток насыщения диода. С учётом того, что , тепловой ток (обратный ток насыщения) при некоторой исходной температуре будет равен:

где,

заряд электрона

площадь p-n-перехода

коэффициент диффузии дырок

средняя длинна диффузии дырок в n-области

концентрация неосновных носителей заряда

где,

концентрация электронов в собственном полупроводнике в условиях термодинамического равновесия

концентрация доноров

отсюда,

3. Вычислим напряжение на переходе при прямом включении при заданном токе и температуре :

4. Выясним влияние температуры на прямое напряжение, увеличив температуру на 60°, для чего сначала определим обратный ток насыщения для новой температуры:

Из выражения

где

эффективная плотность состояний у дна зоны проводимости

ширина запрещённой зоны, получим

Теперь найдем концентрацию электронов в собственном полупроводнике при новой температуре:

отсюда концентрация неосновных носителе заряда равна

тогда тепловой ток при температуре 340°K будет равен

Вычислим напряжение на p-n-переходе при :

Вывод: С повышением температуры полупроводника, уменьшается падение напряжение на p-n-переходе, при заданном прямом токе.

ВАХ диода при прямом смещении сложным образом зависит от температуры, при малых токах характеристика смещается с ростом температуры влево, а при больших токах (где падение напряжения на полупроводниковых областях вне перехода увеличивается) - вправо (рис.1).

Рис.1

III. Задача 2

Определить сопротивление диода и дифференциальное сопротивление диода постоянному току при прямом включении. Ток и температура заданы в таблице 1. Сопротивление обратному току вычислить для напряжения из таблицы 1 и тока полученного в задаче 1.

Решение

1. Вычислим сопротивление диода прямому току:

2. Вычислим дифференциальное сопротивление диода прямому току:

3. Вычислим сопротивление диода обратному току:

IV. Задача 3

Определить ток идеализированного диода в цепи, представленной на рисунке 2. Вычислить напряжение, соответствующее этому току, Определить дифференциальное сопротивление диода при полученном напряжении и токе.

Диод включен в прямом направлении. Величину сопротивления, напряжение и температуру взять из таблицы 1.

Рис. 2

Решение

1. Рассчитаем токи через диод при различных напряжениях, обратный ток насыщения возьмем из задачи 1:

Токи через диод при напряжениях от 200 до 350 милливольт

2. По полученным значениям построим ВАХ диода:

Рис. 3

3. Восстановим из точки пересечения ВАХ диода и нагрузочной прямой нормали к осям координат, и найдем падение напряжения на диоде и ток проходящий через диод (Рис.3).

4. Зададим приращение напряжения и по графику определим соответствующее приращение тока (Рис.3), откуда найдем дифференциальное сопротивление диода:

V. Задача 4

Определить параметры стабилизатора напряжения на основе диода-стабилитрона. Справочные данные стабилитронов приведены в таблице 2. Расчётная схема стабилизатора приведена на рисунке 4.

Определить:

— Допустимые пределы изменения ограничительного сопротивления при изменении питающего напряжения для указанных параметров схемы.

— Коэффициент стабилизации для среднего значения рассчитываемого параметра задачи .

— Проверить, не превышает ли мощность рассеяния на диоде допустимую при максимальном токе стабилизации .

Рис. 4

Решение

1. Определим сопротивление ограничительного резистора:

где,

отсюда Округлим до стандартного ;

2. Определим допустимые пределы изменения питающего напряжения:

Таким образом, стабилизация выходного напряжения происходит не на всём диапазоне напряжений источника питания, а только в диапазоне .

3. Определим коэффициент стабилизации для среднего значения питающего напряжения:

4. Определим изменение выходного напряжения стабилизатора при изменении температуры на 60°С:

5. Проверим, не превышает ли выделяемая на стабилитроне мощность при максимальном токе стабилизации допустимую мощность рассеяния:

Так как, выделяемая мощность при максимальном токе выше допустимой мощность рассеяния, стабилитрон необходимо установить на соответствующий радиатор.

VI. Задача 5

Определить форму напряжения на выходе схемы для прямого и обратного включения диода. Вычислить значение максимального напряжения на резисторе и диоде и максимальный ток через цепь. Вычертить в масштабе напряжение на выходе и входе схемы с учётом уровня фиксации и ограничения диодов.

Расчётная схема представлена на рисунке 5, во второй части расчётов необходимо изменить полярность включения диода в схеме.

диод ток постоянный сопротивление На входе схемы действует напряжение синусоидальной формы. В задании указано действующее значение напряжения. Параметры диодов своего варианта взять из задач 1−3.

Для контроля правильности решения задачи проверить: для любого момента времени, где падение напряжения на резисторе.

Рис. 5

Решение

1. Определим амплитуду входного напряжения:

2. Напряжение на диоде и ток через него, при положительной полуволне на аноде и амплитудном значении входного напряжения, найдем графическим методом:

Рис. 6

Напряжение на диоде

Ток через диод

3. Определим максимальное значение напряжения на резисторе:

4. Ток в схеме при отрицательной полуволне на аноде диода равен обратному току насыщения диода:

отсюда

5. Для контроля правильности решения проверим равенство для любого момента времени:

6. При изменении полярности включения диода в схеме срезаться будет положительная полуволна входного напряжения, амплитудные значения напряжений и тока останутся те же.

7. Построим графики изменения напряжения на входе и выходе схемы:

Рис. 7

VII. Задача 6

Определить изменение барьерной ёмкости при изменении обратного напряжения .

Вычислить и построить характеристику зависимости не менее чем в 10 точках при изменении в указанном диапазоне. Данные для расчёта взять из таблицы 4 для соответствующих вариантов.

Температуру для всех вариантов принять одинаковой. Постоянный коэффициент имеет размерность [пФ В^½], поэтому при введении в расчётную формулу напряжения в вольтах получается в пФ.

Решение

1. Определим постоянный коэффициент :

Из уравнения

найдём, где

отсюда

2. Определим барьерную ёмкость при обратных напряжения

от 10 до 100 В с шагом в 10 В:

Барьерная ёмкость диода

3. Построим график зависимости барьерной ёмкости диода от величины приложенного обратного напряжения:

Рис. 8

VIII. Перечень используемой литературы

1. Паутов В. И. Диоды и их применение: Методические указания по выполнению контрольной работы по теме «Диоды и их применение» / В. И. Паутов. ;

2. Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2012 — 32 с. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие / К. С. Петров. — Спб.: Питер, 2003. — 512 с.: ил. ISBN 5−94 723−378−9

3. Прянишников В. А. Электроника: Полный курс лекций. — 4-е изд. — Спб.: КОРОНА принт, 2004. 416 с., ил. ISBN 5−7931−0018−0