К вопросам «Измерение токов» и «Измерение напряжений»

В электроизмерительных приборах используются различные действия электрического тока (см. рис.). В тепловых приборах протекающий ток нагревает провод, в результате чего его длина увеличивается. Степень удлинения провода зависит от силы тока.

Электромагнитные приборы содержат вращающийся на оси постоянный магнит и жестко закрепленный электромагнит. Если пропустить через катушку электромагнита ток, постоянный магнит отклоняется. Величина отклонения характеризует силу тока. В магнитоэлектрических приборах в поле постоянного магнита расположена катушка, вращающаяся вокруг своей оси. Если через катушку пропустить ток, то в результате взаимодействия поя катушки с полем магнита возникает момент силы и катушка поворачивается на угол, пропорциональный силе тока.

Особо чувствительные приборы магнитоэлектрического типа называются гальванометрами. В большинстве измерительных приборов для возврата стрелки в исходное положение используется спиральная пружина.

Прибор для измерения тока (амперметр)

Амперметр включается в цепь последовательно, так как весь измеряемый ток должен протекать через прибор. Чтобы амперметр не изменял напряжение на исследуемом объекте, падение напряжения на нем должно быть минимальным, т. е. внутреннее сопротивление должно быть как можно меньше.

Если необходимо измерить ток, превышающий диапазон измерений амперметра, то параллельно амперметру включают шунтирующее сопротивление; через шунт проходит такая часть тока, что ток через прибор не превышает допустимой величины. Если R_пар – требуемое сопротивление шунта, R_внутр – внутреннее сопротивление амперметра, I₂ – новый диапазон прибора, I₁ – прежний диапазон прибора, то, учитывая, что при параллельном соединении сила тока обратно пропорциональна сопротивлению, получаем

или после преобразований

Прибор для измерения напряжения (вольтметр)

Вольтметр включается параллельно измеряемому напряжению. Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть по возможности большим, чтобы ток через прибор не приводил к заметному увеличению полного тока и уменьшению измеряемого напряжения.

Если нужно измерить напряжение, превосходящее диапазон измерений данного вольтметра, то последовательно с вольтметром включается дополнительное сопротивление, на котором создается нужное падение напряжения. Если R_доп – дополнительное сопротивление, R_внутр – внутреннее сопротивление вольтметра, U₂ – новый предел измерений, U₁ – прежний предел измерений вольтметра, то, учитывая, что через вольтметр и дополнительное сопротивление протекает один и тот же ток, получаем

откуда

Схемы подключения вольтметра и шунта очевидны и не приведены, но уметь изображать их надо.

Полупроводники

При температуре абсолютного нуля (0 К) полупроводники не содержат свободных электронов и поэтому представляют собой диэлектрики. Однако в отличие от диэлектриков у полупроводников при повышении температуры возникает проводимость, которая зависит от ширины запрещенной зоны, т.е. от разности энергий зоны проводимости и валентной зоны. Техническое применение чистых полупроводников – сопротивления с отрицательным температурным коэффициентом.

Важнейшими полупроводниковыми материалами являются германий и кремний. Атомы этих элементов имеют по 4 электрона во внешней электронной оболочке, которые образуют валентную связь с электронами соседних атомов (см. рис.). При подведении энергии (теплоты или света) межатомные связи в решетке теряют электроны; при этом образуется положительный заряд. То место, где в решетке не хватает электрона, называют дыркой. Под действием внешнего электрического напряжения электроны движутся к положительному полюсу, а дырки – к отрицательному, причем их место занимают свободные электроны. Т.о. в чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях. Это собственная проводимость полупроводника. Потерявшие по каким-либо причинам часть своей энергии электроны захватываются дырками: происходит рекомбинация. При неизменной температуре число появляющихся и рекомбинирующих пар электрон-дырка постоянно.

Электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости под действием света. Соответствующее явление называют внутренним фотоэффектом. Очевидно, что энергия световых квантов должна превышать ширину запрещенной зоны, однако не должна быть слишком большой, чтобы не выбить электрон из полупроводника совсем. Техническое применение: фотосопротивления.

Электронная проводимость

Проводимость полупроводника можно увеличить добавлением атомов других элементов (данный процесс называется легированием). При введении в решетку полупроводника примесей возникает примесная проводимость (в отличие от собственной проводимости). Так, при легировании четырехвалентного германия пятивалентным мышьяком (или сурьмой, фосфором) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. Примеси, приводящие к появлению свободных электронов, называются донорными. Энергетические уровни донорных электронов лежат ниже зоны проводимости, но выше валентной зоны.

Наличие примеси приводит к увеличению концентрации электронов примерно в 1000 раз. Соответственно в 1000 раз уменьшается концентрация дырок. Поэтому электроны называют основными, а дырки – неосновными носителями. Германий в этом случае называют полупроводником с электронной проводимостью, или полупроводником n-типа.

Дырочная проводимость

Проводимость полупроводника можно увеличить, легируя его элементами с меньшей валентностью. Если, например, легировать германий трехвалентным индием (или бором, галлием), то в месте нахождения атома примеси возникает лишняя дырка. Такие примеси, уменьшающие число свободных электронов, называются акцепторными. Соответствующий им энергетический уровень лежит немного выше валентной зоны.

Поскольку концентрация дырок много больше концентрации электронов, дырки будут основными, а электроны – неосновными носителями. Такой тип полупроводников называют дырочным полупроводником, или полупроводником p-типа.

p-n-переход (диод)

В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать p-проводимостью, а другой – n-проводимостью. Между такими областями возникает пограничный слой, через который диффундируют основные носители, стремясь уравнять значения концентрации по обе стороны от слоя. В результате по обе стороны от границы возникает тонкий слой, в котором почти отсутствуют свободные носители заряда. Внешнее напряжение изменяет толщину этого слоя. Если положительный полюс источника напряжения соединен с p-областью, а отрицательный – с n-областью, то большое число основных носителей диффундирует в пограничный слой, где они рекомбинируют. При этом появляется относительно большой прямой электрический ток. При обратной полярности основные носители покидают пограничный слой, в рекомбинации участвует лишь небольшое число неосновных носителей и возникает очень слабый обратный ток.

Таким образом, p-n-переход работает как выпрямитель, пропуская большой ток только из p-области в n-область. Соответствующий полупроводниковый прибор с p-n-переходом называется диодом и служит для выпрямления переменного тока.

Транзистор

Транзистор – полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигнала. Различают кремниевые и германиевые транзисторы. Транзистор представляет собой p-n-p или n-p-n-структуру, эквивалентную двум противоположно включенным диодам, которые обладают одним общим n- или p-слоем. На рисунке представлены схема подключения источников питания, диодный эквивалент и УГО для транзистора p-n-p-типа. Буквами обозначены: Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор. Для транзистора n-p-n-типа следует изменить полярность внешних источников питания, ориентацию диодов и направление стрелки в переходе «эмиттер–база».

Диодная эквивалентная схема поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер–база смещен в прямом направлении, а переход база–эмиттер – в обратном, поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рисунке выше для p-n-p-транзистора и обратно для n-p-n-транзистора.

Транзисторы p-n-p и n-p-n равноценны по своим параметрам, поэтому в дальнейшем будем рассматривать транзистор только одного типа.

Дырки (в p-n-p-транзисторе), создающие эмиттерный ток I_э, из области эмиттера попадают в очень узкую (10…50 мкм) n-область базы, откуда бóльшая их часть (95…99%) проходит в p-область к коллектору, образуя коллекторный ток I_к. Остальные дырки образуют ток базы I_б, текущий через базу Б. Для суммы всех токов с учетом их направлений справедливо равенство I_э+I_к+I_б=0. При этом ток, направленный к транзистору, считается положительным, от транзистора – отрицательным, причем направление тока определяется направлением движения положительных зарядов.