2.3.2. Методика измерений и обработка результатов

2.3.2.1.Техника безопасности.

Правила техники безопасности труда полностью соответствуют «Инструкции Ф-19 на безопасное выполнение работ в электрической лаборатории общего физического практикума.»

2.3.2.2. Порядок выполнения работы и условия эксперимента.

Задание №1. Изучение германиевого и кремниевого выпрямителей. В данном задании предлагается измерить вольт-амперную характеристику двух диодов (кремниевого и германиевого). Электрическая схема собрана (рис.14). Здесь УИП-2 и ВСА-5К –источники питания диода в обратном и прямом направлениях соответственно.

Обратите внимание на различное расположение амперметра и вольтметра при снятии характеристик в прямом и обратном направлениях.

П

Рис.14 Схема для измерения характеристик силовых диодов.

ринимая во внимание, что сопротивление диода в прямом направлении мало, а в обратном направлении велико, объясните, почему при обратном направлении правильнее измерять суммарное напряжение диода и амперметра, а в прямом направлении только напряжение диода.

Обратите внимание также на разные пределы измерений измерительных приборов в прямом и обратном направлениях.

Обработка результатов эксперимента.(1)

Построить на одном графике характеристики германиевого и кремниевого диодов в прямом и обратном направлениях. Сравнить характеристики двух типов диодов, обсудить, при каких напряжениях эти диоды можно использовать как выпрямляющие устройства. Представить, как будут выглядеть эти характеристики, если взять одинаковый масштаб в прямом и обратном направлениях. Сравнить контактные разности потенциалов p-n –переходов двух диодов. Обсудить, чем обусловлено различие вольт-амперных характеристик в обратном направлении.

Задание №2. Измерить вольт-амперную характеристику стабилитрона в обратном направлении.

На рис. 15 приведена схема для измерения характеристики стабилитрона:

УИП-2 –источник питания с регулятором напряжения;

m

Рис.15. Электрическая схема для измерения характеристики стабилитрона.

A –миллиамперметр (может быть использован универсальный цифровой прибор В7-27. Перед началом работы установить максимальный предел для измерения тока);

V –вольтметр (может быть использован универсальный прибор Ф480 для измерения постоянного напряжения).

Постепенно увеличивая напряжение до максимального, измерить вольт-амперную характеристику. Более подробно произвести измерения в области стабилизации напряжения.

Обработка результатов эксперимента.(2)

По полученным данным построить график, указать напряжение стабилизации и дифференциальное сопротивление.

Задание №3. Измерить характеристику туннельного диода в прямом направлении. Для измерения вольт-амперной характеристики туннельного диода используется схема уравновешенного моста (рис.16).

З

Рис.16 Схема для измерения характеристики туннельного диода в прямом направлении.

десь плечи мостаR₁,R₂, R₃,R₄ вместе с милливольтметром подобраны так, чтобы без туннельного диода мост был уравновешен. Равновесие проверяется по вольтметру mV₂,включенному в диагональ моста. Если равновесие нарушено, то подстроечным сопротивлением r добиваются равновесия, чтобы милливольтметр mV₂ показывал нуль.

Далее подсоединяют туннельный диод параллельно милливольтметру mV₁ (для чего нужно вставить его в соответствующие гнезда) и наблюдают по милливольтметру mV₂ напряжение разбаланса моста U_p.

Из решений уравнений Кирхгофа для данной схемы можно получить, что напряжение разбаланса прямо пропорционально току через диод I_g.

Таким образом, для снятия вольт-амперной характеристики напряжение на диоде отсчитывается непосредственно милливольтметром mV₁, а ток через напряжение разбаланса U_p.

Электрическая схема (рис.16) собрана на стенде.

Измерить прямую ветвь вольт-амперной характеристики. Для этого:

1. Уравновесить мост с помощью подстроечного сопротивления r в отсутствие туннельного диода при напряжении 1,5В, а затем понизить напряжение до нуля.

2. Включить в схему туннельный диод; регулятором «грубо» и «плавно» на источнике питания подать некоторое напряжение на диод и измерить напряжение разбаланса: U_p. Ток через диод вычисляется по приведенной выше формуле (30), R₁=13 Ом.

Обработка результатов эксперимента.(3)

Построить график зависимости и привести основные характеристики: (с. 52,53).

Задание №4. Измерить емкость и зависимость толщины p-n –перехода от обратного напряжения варикапа.

Принципиально емкость такого конденсатора можно измерить самым простым способом –измеряя емкостное сопротивление. Для этого нужно подать на него малое напряжение с известной частотой и измерить ток. Переменное напряжение должно быть обязательно малым по сравнению с постоянным обратным напряжением, иначе мы не сможем сказать, какому обратному напряжению соответствует измеренная емкость (переменное напряжение, складываясь с постоянным, тоже изменяет емкость).

Поскольку при указанном выше способе измерения всегда есть возможность сделать ошибку из-за малого обратного тока, то в работе используется другой способ: исследуемый p-n –переход включается как добавочная емкость в колебательный контур генератора высокочастотных колебаний (рис.17) и измеряется частота этих колебаний, которая, естественно, зависит от величины емкости перехода. Известно, что резонансная частота колебательного контура равна

где L –индуктивность, а С –суммарная емкость, подключенная параллельно катушке. Генератор вырабатывает колебания, частота которых равна резонансной частоте контура.

Встенде собран такой генератор, причем амплитуда напряжения, подаваемого на измеряемую емкость, меньше 0,2В. Когда к клеммам измерительной схемы не присоединена никакая емкость, частота генерации определяется индуктивностью к собственными емкостями генератора. Если к клеммам подключить дополнительный конденсатор, то частота уменьшится. Определить неизвестную емкость можно методом замещения, т.е. подобрав другой конденсатор известной емкости так, чтобы изменения частоты в обоих случаях были одинаковыми. Электрическая схема для выполнения этого задания собрана на стенде (рис. 17).

1. И

   Рис.17. Схема для измерения емкости p-n –перехода.

   спользуя несколько конденсаторов известной емкости, снимите зависимость частоты от емкости. Отсчет ведите от частоты, соответствующей отсутствию конденсатора на клеммах.

2. Подключите к клеммам исследуемый диод и снимите зависимость частоты генератора от обратного напряжения на переходе. Удобнее снимать эту зависимость при уменьшении обратного напряжения, а не при увеличении.

Обработка результатов эксперимента. (4)

1. Постройте градуировочный график, т.е. график зависимости частоты контура от емкости добавочного конденсатора.

2. С помощью градуировочного графика по частоте контура с варикапом определить емкость p-n –перехода. Постройте график зависимости емкости p-n –перехода от величины обратного напряжения.

3. Считая толщину p-n –перехода d как расстояние между пластинами плоского конденсатора , постройте график зависимости и сделайте вывод, согласуется ли эта зависимость в теоретическими представлениями о распределении зарядов в переходе и их поведением при изменении обратного напряжения.