Електроніка,ч1

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

ЕЛЕКТРОНІКА ЧАСТИНА 1

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт для студентів базового напрямку 051004 «Оптотехніка»

Затверджено на засіданні кафедри фотоніки

Національного університету «Львівська політехніка»,

протокол № 5 від « 30 » травня 2013р.

Львів 2013

Методичні вказівки до виконання та оформлення лабораторних робіт для студентів базового напрямку 051004 «Оптотехніка» / Укл.: В.Я. Татарин, Т.О. Протальчук – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка ”, 2013. – 50 с.

Відповідальний за випуск: Я.В. Бобицький, д-р техн. наук, проф.

Рецензенти: В.М. Фітьо, д-р фіз.-мат. наук, професор кафедри фотоніки

2

ЗМІСТ

3

Лабораторна робота №1 ДОСЛІДЖЕННЯ КОНТУРІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

1.1. Закон Ома. Перевірте виконання закону Ома вимірюванням U та І для кількох значень напруги. Використовуйте стабілізоване джерело постійного струму із змінною напругою та схему на рис. 1.

Рис. 1. Схема вимірювання залежності U від І для резистора

Зауважимо, що напруга вимірюється між вхідними терміналами схеми, а струм – через частину схеми. Виміряйте струм при кількох значеннях напруги. Складіть графік залежності струму від напруги. Після вимірювань на резисторі 20 кОм, замініть його на резистор 10 кОм.

Цікаве запитання: вольтметр не вимірює напругу там, де ви хочете, а саме між кінцями резистора. Чи це важливо? Як побудувати схему так, щоб вольтметр вимірював саме те, що вам потрібно? Якщо ви це зробите, що відбудеться з точністю вимірювання струму? Чи можете ви сформулювати, що повинен робити зі схемою вимірюючий вольтметр чи амперметр? Що це говорить про його внутрішній опір?

1.2.Нелінійний опір. Тепер проведемо ті ж вимірювання (U в залежності від І) для низьковольтної жарівки (Використовуйте шкали вашого амперметра 100 мА та 500 мА). Не превищуйте напругу 6,5 В!

Який опір жарівки? Чи має зміст це запитання?

1.3.Діод. Іншим нелінійним пристроєм є діод. Для нього має значення знак напруги на його виводах. Ви переконаєтесь у цьому вимірявши на ньому напругу і

визначите залежність U від І. Для цього зберіть схему, зображену на рис. 2.

4

В цій схемі резистор 1 кОм використовується для обмеження струму до безпечних значень.

Рис. 2. Схема вимірюваннязалежності U від І для діода

Відстежте, змінюючи R (використовуйте змінний резистор 50 кОм чи набір фіксованих резисторів), за значеннями U в залежності від І. Побудуйте графік залежності U от lg I. Тепер перевірте, що отримаєте, якщо змінити полярність діода. Як резюмувати опис поведінки величин U и І для діода?

Тепер поясніть, що отримаєте при прикладанні до діода прямої напруги 5 В (тільки не робіть цього!). Подивіться в паспорт діода, щоб зрозуміти що думає виробник про те, що повинно відбутися в цьому випадку. Цей важливий пристрій буде детально досліджуватися нижче.

1.4. Дільник напруги. Побудуйте дільник напруги, зображений на рис. 3. Подайте на нього Uвх=15В . Виміряйте вихідну напругу схеми без навантаження. Після цього додайте навантаження 10 кОм і перевірте результат.

Виміряйте струм у короткозамкнутій схемі. По отриманому значенні та значенні напруги на виході ненавантаженої схеми можна розрахувати еквівалентну схему дільника. В якості джерела при цьому використовуйте стабілізатор. Зберіть отриману еквівалентну схему використовуючи стабілізоване джерело живлення із змінною

Рис.3. Дільник напруги напругою і перевірте відповідність розрахованих

5

значень напруги у розімкненій схемі та струму в короткозамкнутій. Тепер добавте навантаження 10 КОм, як для вихідного дільника, та переконайтесь, що схема поводить себе ідентично.

1.5. Осцилограф. Ми будемо часто використовувати осцилограф. Ознайомтеся з його роботою, подавши на нього з генератора синусоїдальні коливання з частотою 1000 Гц (1 кГц, 1000 цикл/с) розгляньте їх на екрані осцилографа. Вивчіть принцип роботи розгортки осцилографа і схеми запуску. Попрацюйте з трикутними імпульсами. Потренуйтеся перемикати підсилення по вертикалі, з швидкістю горизонтальної розгортки та схемою запуску, щоб знати, як буде виглядати зображення на екрані неналаштованого осцилографа. Нехай ваш напарник розкрутить кілька налаштовуючих ручок осциллографа а ви перевірте, чи зможете відновити правильнее зображення.

Налаштуйте генератор на видачу прямокутних імпульсів і використайте осцилограф для вимірювання «часу наростання». Що потрапляє на осцилограф з роз’єму генератора ВНУТРІШНЯ СИНХРОНІЗАЦІЯ? Що можна сказати про ручку калібратора на осцилографі? Подайте зсув на сигнал, якщо це дозволяє ваш функціональний генератор, і перевірте дію перемикача ЗМІННИЙ СТРУМ/ПОСТІЙНИЙ СТРУМ, який знаходиться біля входу осцилографа. Спробуйте розглянути, наприклад, імпульси тривалістю 1 мкс при частоті 10 кГц. Встановіть генератор на яку-небудь середню частоту його діапазону, а потім спробуйте провести точне вимірювання частоти за допомогою осцилографа.

Зміст звіту:

Графіки залежності струму від напруги всіх трьох радіо компонентів та еквівалентну схему дільника напруги, що досліджувався.

6

Лабораторна робота № 2 ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ І ТИРИСТОРІВ

Мета роботи: з'ясування механізму утворення n-p переходу; зняття вольтамперних характеристик випрямляючого діода та стабілітрона; ознайомлення з принципом дії тиристора і зняття його основних характеристик.

Теоретичні відомості

До напівпровідникових відносяться матеріали, які при кімнатній температурі мають питомий опір =10-3... 1010 Ом см, залежний від температури, освітленості, іонізуючого випромінювання, електричного поля і.т.д.

Для виготовлення напівпровідникових приладів застосовують прості напівпровідникові матеріали - германій, кремній, селен - і деякі хімічні сполуки, наприклад, арсенід галію GaAs, антимонід індію InSb, фосфід індію InP, карбід кремнію SiC.

Напівпровідники мають кристалічну структуру, яка однорідна при температурі абсолютного нуля. По мірі нагріву частина валентних зв'язків порушується внаслідок теплових коливань у кристалічній ґратці, що призводить до одночасного утворення вільних електронів і незаповнених зв'язків (дірок). Генерація пар носіїв заряду може відбуватися також під дією світла, електричного поля, випромінювання та ін. Електропровідність власного напівпровідника, що обумовлена парними носіями заряду (електронами і дірками), називають власною. Вводячи у власний напівпровідник домішки, отримують домішкову електропровідність. Донорні домішки, атоми яких віддають електрони, утворюють напівпровідники з переважною електронної електропровідністю (n-типу). Напівпровідники з переважною дірковою електропровідністю називають напівпровідниками p-типу, а відповідні домішки - акцепторами.

Область на границі контакту двох напівпровідників з протилежним типом електропровідності називається електронно-дірковим n-p-переходом. Перехід володіє несиметричною провідністю, тобто має нелінійний опір. Робота більшості

7

напівпровідникових приладів (діодів, тиристорів та ін.) базується на використанні властивостей n-p-переходів.

Розглянемо процеси в n-p-переході при відсутності зовнішнього джерела напруги (рис.1). Оскільки носії заряду здійснюють хаотичний тепловий рух, то

виникає контактна різниця потенціалів Uк= n- p і електричне поле напруженістю Ек. На потенційній діаграмі n-p-переходу (рис.1б) за нульовий потенціал прийнятий потенціал граничного шару. У n-p-переході виникає потенційний бар'єр, що перешкоджає дифузному переміщенню носіїв заряду. Висота бар'єра рівна контактній різниці потенціалів і зазвичай становить десяті частки вольта. На рис.1. б зображений бар'єр для дірок, які прагнуть за рахунок дифузії переміщуватися з області p в область n.

Таким чином, в n-p-переході, внаслідок ходу електронів і дірок вглиб p- та n- областей утворюється збіднений зарядами шар, що називається замикаючим і володіє великим опором у порівнянні з опором інших об’ємів n- та p-областей.

Якщо джерело зовнішньої напруги додатним полюсом підключити до напівпровідника p-типу і від’ємним до n-типу (пряме включення), то електричне поле, що створюється в n-p-переході, прямою напругою Uпр, діє назустріч контактній різниці потенціалів Uк.. Потенційний бар'єр знижується до величини Uк-Uпр, зменшується товщина замикаючого шару і його опір Rпр.

У протилежному ж випадку через перехід можуть пройти тільки неосновні носії: електрони з p-області в n-область і дірки в зустрічному напрямку. Оскільки

8

концентрація основних носіїв заряду на кілька порядків вища концентрації неосновних, то прямі струми на кілька порядків більші зворотніх. Електроннодірковий перехід має випрямляючі властивості, які використовуються для

частоти в постійний струм.

Вольтамперна характеристика (ВАХ) випрямляючого діода, його умовне графічне зображення і буквенне позначення показане на рис.2. Основні параметри випрямного діода: гранично допустимий постійний струм діода Iпр.max і максимально допустима зворотня напруга Uобр.max.

стабілізації Uст.ном, мінімальний Icт.min і максимальний Iст.max струми стабілізації, максимальна потужність Pст.max.

9

Тиристором називають напівпровідниковий прилад з трьома або більше n-p- переходами і двома (динистор) або трьома (тринистор) виводами. Він може знаходитися в одному з двох стійких станів: низької провідності (закритий) або високої провідності (відкритий). Структура, умовне графічне і буквенне позначення тиристора, його вольтамперна характеристика наведена на рис.4, б, в.

Основою приладу є кристал кремнію, в якому створені чотири шари з різними типами електропровідності. Зовнішній p-шар називають анодом (А), зовнішній n-шар - катодом (К), а два внутрішніх шари - базами. Одна із баз має вивід - керуючий електрод (У).

При прямому включенні (анод позитивний по відношенню до катода) переходи П1 і П3 зміщені в прямому напрямку, а перехід П2 - у зворотному напрямку. До тих пір, поки П2 закритий, прямий струм практично рівний нулю (ділянка оа характеристики рис.4в). При деякому значенні прямої напруги, рівному Uвкл.max, за рахунок перерозподілу зарядів в області баз перехід П2 відкривається (точка а). Опір його швидко зменшується (ділянка аб), і тиристор працює на ділянці бв характеристики, яка подібна ВАХ діода.

Рис.4

Напругу включення Uвкл.max можна зменшити за допомогою введення додаткових носіїв заряду в будь-який з шарів, прилеглих до переходу П2. Додаткові носії заряду на рис.4 вводяться в шар p від допоміжної керуючої ланки з незалежним джерелом Еy. При збільшенні струму управління Iy характеристика (рис.4в) зміщується вліво (до природної прямої гілки ВАХ діода). Тиристор залишається у ввімкненому стані, поки протікаючий через нього струм більший

10