3. Электрические измерения и осциллографирование

Электрические измерения выполняются с помощью:

а) измерительного модуля «Миллиамперметры», который позволяет измерить стрелочными приборами магнитоэлектрического типа два тока (приборами А1 и А2). Диапазоны измерений приборов приведены в табл. 2.

Диапазон измерений миллиамперметров Таблица 2

Наименование прибора	Диапазон измерения	Класс точности
РА1	0..Д1; 1; 10; 100 мА	1,5
РА2	0...0Д; 1:10; 100 мА	1,5

б) мультиметров типа MY67/ MY68, установленных в модуль «Мультиметры», описание которых и диапазон измерений приведены в соответствующих лабораторных работах.

Для проведения лабораторных работ необходим двухканальный осциллограф, типа GOS-806. Правила работы и способы подключения осциллографа описаны в соответствующих лабораторных работах.

2. Лабораторная работа № 1 «Экспериментальное исследование выпрямительного диода»

Цель работы

1. Изучение характеристик и параметров выпрямительных диодов.

2. Ознакомление с применением выпрямительных диодов в неуправляемых выпрямителях.

3. Снятие вольт – амперных характеристик выпрямительного диода на постоянном токе с помощью мультиметров и миллиамперметров.

4. Снятие вольт – амперной характеристики диода на переменном токе с помощью осциллографа.

Приборы и элементы

В данной лабораторной работе используются модули лабораторного стенда:

1. «Диоды»;

2. «Мультиметры»;

3. «Миллиамперметры»;

4. Осциллограф.

Параметры приборов и элементов

В модуле «Мультиметры» используются приборы типа MY67, диапазон измерений которых приведен в табл.3.

Диапазоны измерений мультиметров Таблица 3

Измеряемая величина	MY-67		MY-68
	Диапазон измерений	Погрешность измерения	Диапазон измерений	Погрешность измерения
Напряжение постоянного тока	1000 В	±0,8% ±2 D	1000 В	±0.5% ±2 D
Напряжение переменного тока	750 В	±1,2% ±3D	750 В	±0.5% ±3 D
Постоянный ток	400,0 мкА; 400,0 мА 10,00 А	±0,8% ±2 D ±1.2% ±2D ±2.0% ±5 D	326,0 мкА; 326,0 мА 10,00 А	±1.2% ±3D ±2.0% ±5 D
Переменный ток	400,0 мкА; 400,0 мА 10,00 А	±0,8% ±3 D ±1.2% ±3D ±3.0% ±5 D	326,0 мкА; 326,0 мА 10,00 А	±1.5% +5D ±3.0% ±7 D
Сопротивление	40,00 МОм	±1.2% ±2D	32,60 МОм	±1.2% +2D

В модуле «Миллиамперметры» используются приборы магнитоэлектрической системы, диапазон измерений которых приведен в табл.2.

Для проведения лабораторных работ необходим двухканальный осциллограф, например GOS-620, C1-117 или аналогичный им.

При применении двухканального осциллографа возникает опасность коротких замыканий в схеме через два провода измерительных входов, связанных с корпусом осциллографа. Осциллографы, подключаемые евровилкой к трехпроводной сети, на своём корпусе «⊥» (общих выводах измерительных входов) будут иметь потенциал заземляющего (зануляющего) провода. Об этом следует помнить при обеспечении электробезопасности. Осциллограф должен быть специально подготовлен к работе на стенде.

От осциллографа в исследуемую схему должен идти только один провод, связанный с корпусом «⊥». Этот провод необходимо сохранить в кабеле, предназначенном для измерения меньших напряжений. При этом оба сигнала будут измеряться относительно точки, к которой подсоединен корпус осциллографа («⊥»).

Аналогично, сигнал внешней синхронизации должен подаваться на вход внешней синхронизации одним проводом. При этом сигнал подается относительно точки, к которой подключен корпус осциллографа («⊥»).

Эти рекомендации являются обязательными. Их невыполнение может привести к выходу из строя модулей комплекса.

Описание лабораторной установки

В лабораторной работе исследуется полупроводниковый выпрямительный диод. Передняя панель лабораторного модуля «Диоды» представлена на рис. 2.

На ней приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. На мнемосхеме изображены: выпрямительный диод VD1, диод Шоттки VD2, светодиод VD3, стабилитрон VD4, потенциометр RP1 для изменения подаваемого напряжения, резистор R_н и балластный резистор R_б. Резистор R_н используется в качестве ограничивающего ток при снятии характеристик и в качестве сопротивления нагрузки при исследовании выпрямителя. Переключатель SA1 предназначен для включения переменного или постоянного напряжения (положительного или отрицательного), а также выключения питания модуля. Шунт R_ш = 10 Ом служит для осциллографирования сигнала, пропорционального току через диод. На передней панели размещены также гнезда для осуществления внешних соединений (X1 - Х15).

Питание модуля осуществляется от источников переменного и постоянного напряжения (±15В). Для подачи постоянного напряжения на модуль необходимо включить автоматический выключатель QF модуля питания. Модуль включается переключателем SA1, при этом на потенциометр RP1подается + 15 В, - 15 В или ~ 12 В.

Измерение постоянных токов и напряжений осуществляется при помощи модулей «Миллиамперметры» и «Мультиметры». Для осциллографирования сигналов применяется двухканальный осциллограф типа GOS 806.

Рис. 2. Модуль «Диоды»

Краткие сведения из теории

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода.

В качестве выпрямляющего электрического перехода в полупроводниковых диодах может быть электронно-дырочный пере­ход, гетеропереход или выпрямляющий переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником (пере­ход Шоттки).

В диоде с p – n – переходом или с гетеропереходом кроме вы­прямляющего перехода должно быть два омических перехода, через которые p- и n -области диода соединены с выводами, в диоде с выпрямляющим электрическим переходом в виде контакта между металлом и полупроводником всего один омический переход.

Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричные p-n-переходы. Поэтому при полярности внешнего напряжения, при которой происходит понижение потенциального барьера в p-n-переходе, т. е. при прямом направлении для р-п-перехода, количество носителей заряда, инжектированных из сильнолеги­рованной в слаболегированную область, значительно больше, чем количество носителей, проходящих в противоположном направлении. В соответствии с общим определением, область полупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных для этой области носителей заряда, назы­вают базой диода. Итак, в диоде базовой областью является слаболегированная область.

Если к диоду с несимметричным p-n-переходом приложено напряжение, при котором происходит повышение потенциального барьера в p-n-переходе, т. е. в обратном направлении для р-п-перехода, то экстракция неосновных носителей заряда будет происходить в основном из базы диода. Таким образом, база диода может оказывать существенное влияние на характеристики и параметры диода.

При прямом напряжении на диоде внешнее напряжение частично компенсирует контактную разность потенциалов на p-n-переходе, так как внешнее электрическое поле при прямом включении диода направлено противоположно диффузионному полю. Поэто­му высота потенциального барьера перехода уменьшается про­порционально приложенному к диоду напряжению.

При обратном включении диода внешнее электрическое поле и диффузионное поле в р-п-переходе совпадают по направлению, происходит экстракция неосновных носителей заряда из прилегающих к переходу областей. Это при­водит к уменьшению граничной концентрации неосновных носи­телей заряда около p-n-перехода и к появлению диффузии неосновных носителей к переходу — идет диффузионный ток не­основных носителей, возникающих в результате тепловой генера­ции в объеме n - и р- областей диода, а также на омических пере­ходах. Идеализированная ВАХ диода представлена на рис. 3.

Рис. 3. Идеализированная вольт – амперная характеристика диода

Порядок проведения экспериментов

1. Cобрать схему для исследования выпрямительного диода на постоянном токе (Рис.4). Соединить перемычкой гнезда Х2, Х6. Для измерения анодного тока включить многопредельный миллиамперметр (модуль «Миллиамперметры») на пределе х1000 (максимальный ток 100 мА) между гнездами XI, Х10. Для измерения анодного напряжения включить мультиметр («Модуль мультиметров») на пределе =20 В между гнездами Х3, Х14. Переключить тумблер SA1 в положение «+».

Рис.4. Принципиальная схема для исследования диода

2. Снять вольтамперную характеристику выпрямительного диода на постоянном токе сначала для прямой, а затем обратной ветви, переключив переключатель SA1 на «—». При смене ветви не забыть изменить полярность миллиамперметра и его предел измерения.

3. Собрать схему для исследования выпрямительного диода на переменном токе для получения ВАХ диода на экране осциллографа. Для этого установить SA1 в положение «Выкл.». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0». Вход Y (СН2) осциллографа подключить к шунту R_ш (гнездо Х13), а корпус осциллографа « » соединить с гнездом Х12. Вход X (СН1) осциллографа подключить к гнезду ХЗ. При этом переключатель развертки осциллографа должен быть переведен в положение X/Y. Подать питание - переключатель SA1 установить в положение «~». Светящуюся точку на экране осциллографа поместить в начало координат. Вращать ручку потенциометра RP1 до положения «5». Зарисовать ВАХ диода, определить масштабы по току и напряжению.

4. Определить по осциллограмме параметры диода: напряжение между анодом и катодом в открытом состоянии U_am при максимальном анодном токе I_amax, пороговое напряжение U₀ и дифференциальное сопротивление r_д.

Обработка результатов экспериментов

По результатам опытов построить характеристики диода, определить его параметры, обработать осциллограммы, сравнить расчет и опыт.

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментов.

3. Результаты экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы.

4. Экспериментально снятые и построенные характеристики.

5. Обработанные осциллограммы.

6. Выводы по работе. В выводах обязательно ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются полупроводники типа p и n.

2. Энергетическая диаграмма р-n перехода.

3. Каковы свойства р-п - перехода?

4. Объясните вид ВАХ р-п- перехода?

5. Как снять по точкам ВАХ диода?

6. Как снять ВАХ диода с помощью осциллографа?

7. В чем отличие ВАХ выпрямительного диода, диода Шоттки и светодиода?

8. Каким образом на экране осциллографа получают изображение функциональной зависимости двух напряжений?

9. Каким образом на экране осциллографа получается изображение периодической функции времени?