Лабораторная работа № 3 исследование характеристик варисторов и фоторезисторов

Цель работы – исследование характеристик варисторов и фоторезисторов.

Основные сведения варисторах и фоторезисторах

Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы, сопротивление которых начинает резко падать, если приложенное напряжение увеличивается сверх определенного значения. Вольтамперная характеристика варистора (рис. 3.1) симметрична относительно начала осей координат. Варисторы изготавливают методами керамической технологии из карбида кремния или оксидов металлов. Уменьшение сопротивления с ростом напряжения связано с падением сопротивления контактов между зернами SiC или оксида. Это происходит вследствие нелинейного роста тока через p–n-переходы, образующиеся на этих контактах, в результате автоэлектронной эмиссии из острых участков зерен.

Рис. 3.1. ВАХ варистора

Основными параметрами варисторов являются классификационное напряжение U_кл, максимально допустимая выделяемая энергия W и средняя рассеиваемая мощность. Напряжение U_кл соответствует току через варистор, равному 1 мА. Варисторы всегда работают при напряжениях выше U_кл, так как основное применение варисторов – защита от кратковременных перенапряжений шунтирующим воздействием.

Одним из наиболее информативных параметров варистора является их вольтамперная характеристика. Она может быть измерена несколькими методами. Наиболее простой из них – прямой, когда ток в цепи измеряется амперметром, подключенным к исследуемому элементу последовательно, а напряжение на элементе – вольтметром, подключенным к исследуемому элементу параллельно. Однако, если измеряемые токи малы, то целесообразно использовать схему косвенных измерений, приведенную на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема косвенного измерения ВАХ

В этом случае падение напряжения на исследуемом элементе R_иссл определяется также вольтметром, подключенным к нему параллельно, а ток, протекающий в схеме рассчитывается как отношение напряжения, падающего на балластном резисторе R_б к величине этого сопротивления.

Фоторезистор – сопротивление на основе полупроводникового соединения, изменяющее свою величину при облучении светом видимого или инфракрасного диапазона. Поскольку фоторезистор не имеет p-n-перехода, то обладает одинаковыми свойствами независимо от направления протекающего через него тока. Основными характеристиками являются его спектральная чувствительность, то есть зависимость сопротивления от длины волны падающего на него света (рис. 3.3.) и функциональная зависимость, то есть зависимость величины сопротивления освещенности (рис. 3.4.).

Рис.. 3.3. Спектральная чувствительность фоторезистора на основе CdS	Рис. 3.4. Функциональная зависимость фоторезистора

Порядок выполнения исследований

1. Измерить с помощью любого мультиметра сопротивление балластного резистора (R_ном=2.2 Ом), записать результат в протокол.

2. Включить стенд и мультиметры, установить мультиметр DT890B+ в режим вольтметра постоянного напряжения («200 мВ»), а мультиметр M890C+ – в режим вольтметра постоянного напряжения («20 В»).

3. Собрать схему для измерения вольтамперной характеристики варистора S10K11 (с классификационным напряжением 18 В) в соответствии с рис. 3.2 (косвенным методом)

3. Снять вольтамперную характеристику варистора S10K11 и занести результаты в протокол. Поскольку при достижении классификационного напряжения U_кл начинается быстрый рост тока, то в области U_кл характеристика снимается с очень малым шагом, ориентируясь на показания вольтметра регистрирующего падение напряжения а балластном резисторе, что отражено в таблице протокола (см. приложение). Не поднимать напряжение источника питания до величин, при которых падение напряжения на балластном резисторе превысит 50 мВ.

4. Повторить измерения по пп. 2-3 для варистора CT1206M6G (классификационное напряжение 11 В). Не поднимать напряжение источника питания до величин, при которых падение напряжения на балластном резисторе превысит 30 мВ.

5. Для проведения измерений функциональной зависимости и спектральной чувствительности фоторезистора открыть на экране электронного устройства (мобильного телефона или планшета) рис. 3.5.

Рис. 3.5. Серая и цветовая шкалы для исследования фоторезистора

6. Подключить фоторезистор к любому из мультиметров и, перемещая его торец по экрану электронного устройства измерить зависимость его сопротивления от яркости (от 0 до 100%) и от длины волны (от 400 до 700 нм). Результаты измерений занести в протокол.

Содержание отчета

1. Цель работы, схемы измерений (рис. 3.2).

2. Заполненная таблица 3.1 для каждого варистора (S10K11 и CT1206M6G).

Таблица 3.1

Исследование вольтамперной характеристики варистора

Напряжение U, В	0
Напряжение Uб, мВ	0
Ток I, мА	0

3. График вольтамперных характеристик варисторов (для обоих варисторов – на одном рисунке).

4. Заполненная таблица 3.2. и график функциональной зависимости сопротивления фоторезистора (на одном графике строится теоретическая и экспериментальная зависимость, экспериментальные результаты нормируются на максимальное сопротивление (при нулевой освещенности)

Таблица 3.2

Исследование функциональной зависимости сопротивления фоторезистора

Освещенность, %	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Теор. отн. сопротивление, у.е.	1		0,65		0,4		0,25		0,15		0,10
Сопротивление, кОм
Эксп. отн. сопротивление, у.е.

5. Заполненная таблица 3.3. и график спектральной зависимости проводимости фоторезистора (на одном графике строится теоретическая и экспериментальная зависимость, экспериментальные результаты нормируются на максимальное значение проводимости, полученное при проведении эксперимента)

Таблица 3.3

Исследование спектральной зависимости проводимости фоторезистора

Длина волны, нм.	400	425	450	475	500	525	550	575	600	625	650	675	700
Теор. отн. проводимость, у.е.	0,3	0,4	0,5	0,62	0,75	0,9	1,0	0,8	0,75	0,6	0,45	0,3	0,2
Сопротивление, кОм
Эксп. отн. проводимость, у.е.

6. Выводы (с анализом полученных характеристик, описанием соответствия этих характеристик теории, причины отличий эксперимента и теории).