Проект учащихся 10 класса по физике

МБОУ "Средняя общеобразовательная школа №11 с углубленным изучением отдельных предметов Зеленодольского муниципального района РТ"

Методическое пособие

 по выполнению лабораторных работ по физике

 в электронной системе моделирования

 ELECTRONIC WORKBENCH

Зеленодольск, 2017

Лабораторная работа №1

Исследование полупроводниковых диодов с помощью программного комплекса Electronics Workbench.

Цель: 1. исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р-n перехода.

2. построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводнико-вого диода.

3. измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики.

Теоретические сведения

Раздел “Diodes” (рис.1.) содержит полупроводниковые диоды, стабилитроны, светодиоды, тиристоры или динисторы, симметричный динистор, симметричный тринистор, выпрямительный мост.

Рис.1.

 – полупроводниковые диоды;

         – стабилитроны;

         – светодиоды;;

Рассмотрим свойства диода, которые задаются пользователем, для этого нужно нажать два раза левой кнопкой мышки на диоде и в диалоговом окне “Diode Properties” выбрать нужный диод на закладке “Models”. Если нужно изменить параметры то нажмите кнопку “Edit”. В диалоговом окне, которое состоит из двух одинаковых на внешний вид закладок (первая из них показана на рис.2., вторая показанная на рис.3.), с помощью которых задать следующие параметры:

• N – коэффициент инжекции;

• EG – ширина запрещенной зоны;

• FC – коэффициент нелинейности барьерной емкости прямо смещенного перехода;

   
Рис.2 – Внешний вид меню для установления параметров диода.

• BV – напряжение пробоя, В; для стабилитронов вместо этого параметра используется параметр VZT – напряжение стабилизации;
• ІBV –початковий ток пробоя при напряжении BV, А; для стабилитронов вместо этого параметра используется параметр ІZT – начальный ток стабилизации;
• XTI – температурный коэффициент тока насыщения;
• KF – коэффициент фліккер-шума;
• AF – показатель степени в формуле для фліккер-шума;
• TNOM – температура диода, 0 С.

   
Рис.3. – Внешний вид меню для установления дополнительных параметров диода.

Исследование прямой ветки ВАХ диод может быть проведен с помощью схемы рис.4. Она состоит из источника тока И, амперметра А (можно обойтись и без него, поскольку ток в амперметре точно ровный заданному ), исследуемого диода VD и вольтметра V для измерения напряжения на диоде.

Рис.4 – Исследование прямой ветви ВАХ диода.

Для исследования обратной ветки ВАХ диода используется схема на рис.5. В ней вместо источника тока используется Ui с предохранительным резистором Rz для ограничения тока через диод в случае его пробоя.

Рис.5. – Исследование обратной ветви ВАХ диода.

Для вычисления тока диода используют следующие формулы:

Іпр = (Е - Unp)/R

где Іпр - ток диода в прямом направлении,

Е - напряжение источника питания,

Unp - напряжение на диоде в прямом направлении.

Изменив полярность включения диода в той же схеме, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении 

Іобр = (Е - Uобр)/R,

где Iобр - ток диода в обратном направлении,

Uобр - напряжение на диоде в обратном направлении.

Порядок выполнения работы

1. Запустите программу Electronics Workbench.
2. Подготовьте новый файл для работы. При подготовке файла сохраните его на жестком диске под своей фамилией.

Задание І. Измерение напряжения и вычисление тока через диод.

1. Рассмотрите схему на рис.6.

1. В новом файле программы Electronics Workbench соберите схему по рисунку. Для этого:

Рис. 6. Схема измерения напряжения диода

- выбрерите раздел на панели инструментов (Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), в котором находится нужный вам элемент, потом перенесите его на рабочую;

-  соедините контакты элементов и расположите элементы в рабочей области для получения необходимой вам схемы. Для соединения двух контактов необходимо щелкнуть по одному из контактов левой кнопкой мыши и, не отпуская клавишу, довести курсор до второго контакта. В случае необходимости можно прибавить дополнительные узлы (разветвление).

- при нажатии на элемент правой кнопкой мыши можно получить быстрый доступ к самым простым операциям над положением элемента, таким как вращение (rotate), разворот (flip), копирование/вырезание (copy/cut), вставка (paste);

- проставьте необходимые номиналы и свойства каждому элементу дважды нажав левой кнопкой мыши на изображении элемента.

2. Когда схема собрана и готова к запуску, нажмите кнопку включения питания на панели инструментов. В случае серьезной ошибки в схеме (короткое замыкание элемента питания, отсутствие нулевого потенциала в схеме) будет выдано предупреждение.
3. Снимите показания напряжения на диоде Unp при прямом смещении с мультиметра. Вывод терминала мультиметра осуществляется двойным нажатием левой клавиши мыши на элементе. В случае необходимости можно пользоваться кнопкой Pause. Полученные данные занесите в таблицу 1.1.
4. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде Uобр при обратном смещении. Полученные данные занесите в таблицу 1.1.

                                           Таблица 1.1.

Задание ІІ. Измерение тока.

1. В этом же окне программы ЕWB соберите схему на рис.7.

 Рис. 7. Схема измерения тока диода

2. Включите схему и снимите показания тока диода Іпр при прямом смещении с мультиметра. Данные занесите в таблицу 1.1.
3. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет ток Іобр диода при обратном смещении. Данные занесите в таблицу 1.1.

Задание ІІІ. Снятие вольтамперной характеристики диода.

Прямая ветвь ВАХ.

1. Соберите схему на рис.8

Рис. 8. Схема для определения прямой ветви ВАХ.

2. Включите схему. Установите значения ЭДС источника в соответствии с таблицей начиная с 5В. По амперметру и вольтметру снимите значения и занесите в таблицу 1.2.

                                           Таблица 1.2.

Обратная ветвь ВАХ.

3. В схеме на рис.8 переверните диод.
4. Включите схему. Установите значения ЭДС источника в соответствии с таблицей начиная с 0В. По амперметру и вольтметру снимите значения и занесите в таблицу 1.3.

                                           Таблица 1.3.

5. По полученным данным постройте графики ВАХ при прямом и обратном смещении.
6. Определите напряжение изгиба. Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.

Задание ІV. Получение ВАХ на экране осциллографа

1. Постройте схему согласно рис. 9.

Рис. 9. Схема для построения ВАХ

2. Установите параметры генератора функций как показано на рис. 10

Рис. 10 Генератор функций.

3. Включите схему.
4. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запишите величину напряжения изгиба.

3. Сделайте выводы относительно сделанной работы.

4. Подготовьте отчет о выполнении лабораторной работы и ответьте на контрольные вопросы.

Выпрямительный диод.

4.1.1.Собрать схему для исследования прямой ветви ВАХ выпрямительного диода (рис. 7).

Рис. 7. Схема для исследования ВАХ выпрямительного диода.

4.1.2. Снять зависимость IПР.=f(UПР) с помощью схемы (рис.7).

В качестве R1 использовать регулируемое сопротивление номиналом 1 кОм. Для получения входного напряжения 30В необходимо включить последовательно два источника напряжения. Ступенчато изменяя  R1, исследовать прямую ветвь диода, для чего  измерить с помощью амперметра прямой ток  IПР и с помощью вольтметра прямое напряжение UПР диода. Результаты эксперимента занести в таблицу 1.                            

                                                                                                  Таблица 1.

4.2. Стабилитрон.

4.2.1.Собрать схему для исследования обратной ветви ВАХ стабилитрона (рис. 4).  

Рис. 8. Схема исследования ВАХ стабилитрона.

4.2.2.Снять зависимость IОБР=f(UОБР) с помощью схемы (рис.8). Ступенчато изменяя величину входного напряжения источника постоянного тока UВХ измерить с помощью амперметра обратный ток IОБР  и с помощью вольтметра обратное напряжение UОБР стабилитрона для ряда значений. Результаты эксперимента занести в таблицу 2.

                                                                                                    Таблица2.