Лабораторная работа № 2
ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
2.1 Краткая теория
Нелинейными называются элементы радиоэлектронных схем, изменяющие свое внутреннее сопротивление в зависимости от величины тока или напряжения. Типичным примером такого элемента является полупроводниковый диод с р-п переходом.
Сопротивление диода в прямом направлении (когда плюс внешнего напряжения приложен к р-области, а минус – к п-области) на много порядков меньше, чем в обратном направлении (при смене полярности приложенного к диоду напряжения). Это объясняется тем, что прямой ток диода является током основных носителей заряда, а обратный ток диода обусловлен током неосновных носителей, концентрация которых на много порядков ниже концентрации основных. В результате вольтамперная характеристика (ВАХ) диода резко нелинейна (рисунок 2.1). Она описывается выражением I = I o exp ( e U / k T ) – 1 , (2.1)
где I o – ток насыщения, не зависящий от приложенного напряжения (для «идеального» р-п перехода), пропорциональный концентрации неосновных носителей и обратно пропорциональный их диффузионной длине.
Рисунок 2.1 ВАХ диодов на различных
полупроводниковых материалах
9
Простейшим нелинейным элементом является обыкновенная лампочка накаливания. При увеличении тока растет температура, а следовательно, и сопротивление нити накала в соответствии с выражением
R (T) = R o ( 1 + T ) , (2.2)
где - температурный коэффициент сопротивления.
2.2 Содержание работы
Целью работы является измерение ВАХ полупроводниковых диодов
на основе германия (Д311) и кремния (Д220), а также лампочки накаливания и для сравнения – обыкновенного резистора. Соответствующие схемы приведены на рисунке 2.2.
а) б)
в) г)
а) - лампочка накаливания; б) – резистор; в) – диод, включенный
в прямом направлении; г) – диод в обратном направлении.
Рисунок 2.2 Схемы измерения вольтамперных характеристик элементов
А) Порядок измерений
1) Собрать схемы, изображенные на рисунках 2.2- а, б.
2) Задавая напряжение в т. А от 1 до 20 В с шагом 2 В , измерить
напряжение в т.В.
3) Собрать схему, изображенную на рисунках 2.2- в, г.
10
4) Включить источник питания в прямом направлении по отношению к диоду Д220 (схема на рисунке 2.2-в). Сопротивление резистора R var выбрать таким, чтобы при увеличении напряжения до 10 В ток через диод не превысил 15-20 мА (при расчетах сопротивлением диода можно пренебречь).
5) Постепенно увеличивая напряжение в т.А от 1 до 10 В с шагом 1 В, измерять напряжение в т.В.
6) Повторить измерения по п.5, заменив диод на Д311.
7) Включить источник питания в обратном направлении по отношению к диоду Д311 (схема на рисунке 2.2-г). Задавая напряжение в т. А от 1 до 30 В с шагом 2 В, измерить напряжение в т. В.
8) Повторить измерения по п.7 для диода Д220.
Б) Обработка результатов измерений
1) Для каждого измерения напряжения U B в т. В и напряжения UA в т. А схемы рисунке 2.2-а определить сопротивление лампочки RX из уравнения U A / U B = (R + R X ) / R X , где R = 220 Ом – ограничительное сопротивление.
2) Для каждого измерения определить ток в цепи по закону Ома:
I = U A / (R + R X) или I = U B / R X и построить ВАХ - зависимость тока от напряжения. Объяснить отклонение характеристики от прямой.
3) Для схемы на рисунке 2.2-б определить ток в цепи для каждого измерения; построить ВАХ на одном графике с ВАХ лампочки и сравнить.
4) Для схем на рисунке 2.2- в, г определить сопротивление диода в прямом и обратном направлениях указанным в п.1 способом.
5) По способу, описанному в п.2, определить ток в цепи для каждого измерения и построить графики прямой и обратной ветви ВАХ для каждого типа диодов.
2.3 Контрольные вопросы
|
1) Чем отличаются линейные элементы от нелинейных ?
2) Причины нелинейности ВАХ полупроводниковых диодов.
3) Особенности измерения прямой и обратной ветви ВАХ диода.
4) Причины нелинейности ВАХ лампочки накаливания.
2.4 Библиография : [3 ] , [ 7 ]
11
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОРЕЗИСТОРА
3.1 Краткая теория
Терморезистор есть полупроводниковый прибор, используемый как датчик температуры в различных устройствах автоматики. Он может быть изготовлен в виде стержня с двумя омическими контактами на концах. Его действие основано на том, что сопротивление полупроводника экспоненциально уменьшается с ростом температуры согласно выражению
R = R o exp B (To- T) / (To T) ,
где R o – номинальное сопротивление при То= 293 К; В - постоянная, пропорциональная ширине запрещенной зоны полупроводника.
Кроме величин В и R o , терморезистор характеризуется параметрами:
1) Температурный коэффициент сопротивления (ТКС):
= (1 / R) (dR / dT) (3.1)
2) Максимально допустимая мощность рассеяния Pmax и максимально допустимая температура Тmax , при которых не происходит необратимых изменений характеристик терморезистора.
3) Коэффициент рассеяния Н, численно равный мощности, отводимой от терморезистора в окружающую среду при разности температур поверхности прибора и среды в 1 град.
4) Время, за которое превышение температуры рабочего тела терморезистора над окружающей средой при охлаждении его в спокойном воздухе, уменьшается в 2,7 раз.
Из ВАХ терморезистора (рисунок 3.1) видно, что при малых напряжениях его температура не изменяется и ВАХ линейна (выполняется закон Ома). При дальнейшем увеличении напряжения выделяемая энергия приводит к повышению температуры и уменьшению сопротивления. Это вызывает дальнейшее увеличение тока, что обусловливает дальнейшее повышение температуры терморезистора, уменьшение его сопротивления и дальнейший рост тока. Такая положительная обратная связь по току приводит к его лавинному нарастанию и появлению участка с отрицательным сопротивлением. Соответственно ВАХ терморезистора имеет S – образный вид.
В зависимости от назначения схемы терморезисторы работают в двух основных режимах. 1) При малых напряжениях (меньше U СР) ток, протекающий через терморезистор, не вызывает его заметного разогрева, но сопротивление зависит от температуры среды. Этот режим
12
используется в устройствах датчиков температуры и схемах температурной компенсации.
2) Как и всякий прибор с ВАХ S – образного типа, терморезистор может использоваться в схеме переключателя и служить в качестве реле, реагирующих на изменение температуры, влажности и др.
Рисунок 3.1 ВАХ терморезистора при различных температурах окружающей среды ( Т1 Т2 )
Терморезисторы изготавливаются из поликристаллических полупроводников с большим ТКС (окислы переходных металлов или их смеси), а также из легированного Ge и Si. Введение примесей позволяет подобрать оптимальный ТКС для заданного температурного диапазона; кроме того, монокристаллические терморезисторы обладают большей стабильностью и надежностью., хорошо воспроизводимыми параметрами.
3.2 Содержание работы
Целью работы является измерение ВАХ терморезистора, определение его ТКС и величины рассеиваемой мощности, вызывающей переход на участок ВАХ с отрицательным сопротивлением.
Схема измерений приведена на рисунке 3.2.
А) Порядок выполнения работы
1) Измерить омметром сопротивления терморезистора Rt и резистора R1.
2) Собрать схему, показанную на рисунке 3.2-а, и присоединить (не подпаивая) терморезистор к точкам Х1-Х2.
3) Измерить ВАХ, постепенно повышая напряжение источника U от 1 до 5 В шагами через 1 В и далее – через 0,5 В до точки неустойчивости тока, измеряя разность потенциалов между точками Х1-Х2.
13
а) б)
Рисунок 3.2 Схемы измерений параметров терморезистора ( Rt )
4) Нагреть терморезистор собственным теплом рук до 36 о С, измеряя напряжение между точками Х1-Х2 через каждую минуту при U = 2 B.
5) Собрать схему, приведенную на рисунке 3.2.
6) Измерить ВАХ , повышая U от 1 до 10 В шагами через 2 В и измеряя падение напряжения на резисторе R1.
Б) Обработка результатов измерений.
1) Определить ток в цепи терморезистора, зная его сопротивление и падение напряжения на нем. Построить график ВАХ до точки неустойчивости, когда ток начинает возрастать вследствие саморазогрева терморезистора.
2) Считая температуру окружающей среды равной 20 о С, вычислить ТКС по результатам измерений по п.4, используя формулу (3.1) и заменяя дифференциалы приращениями Т и R t .
3) Построить ВАХ по результатам измерений по п.6. Определить мощность по формуле P = U I, при которой начинается саморазогрев.
3.3 Контрольные вопросы
1) Объяснить причину появления участка отрицательного сопротивления на ВАХ терморезистора.
2) Основные режимы работы терморезистора в устройствах автоматики.
3) По какой причине уменьшается сопротивление терморезистора при его нагревании ?
4) Что такое ТКС терморезистора ?
3.4 Библиография : [ 3 ] , [ 7 ] .
14
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИЗУЧЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИОДНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ