Исследование ВАХ диода

Лабораторная работа №1

Исследование ВАХ диода.

Цель:

1.Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода.

2.Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике.

3.Измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики.

Приборы и элементы:

      Функциональный генератор

                 Амперметры

                 Вольтметры

      Осциллограф

      Источник постоянного напряжения

      Диод 1N**** (номер смотреть в таблице, в соответствие с последней цифрой шифра):

      Резисторы

Эксперимент 1. Снятие вольтамперной характеристики диода.

а). Прямая ветвь ВАХ.

Включить схему. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5В, 4В, 3В, 2В, 1В, 0.5В, 0В, снять показания приборов.

б). Обратная ветвь ВАХ. Перевернуть диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 0В, 5В, 10В, 15В записать значения тока IОБР и напряжения UOБР

в). Определить напряжение изгиба UИЗГ. Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.

Эксперимент 2. Получение ВАХ на экране осциллографа.

Включить схему.

На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал B), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал A). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте величину напряжения изгиба UИЗГ.

Исследование параметров стабилитрона

Цель:

1.Построение обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона и определение напряжения стабилизации.

2.Вычисление тока и мощности, рассеиваемой стабилитроном.

Приборы и элементы

      Функциональный генератор

      Амперметры

      Вольтметры

      Осциллограф

      Источник постоянного напряжения

      Стабилитрон 1N***

      Резисторы

При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора. Ток Iобр стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R, как это было описано в эксперименте 1 для диода.

Iобр = (Е — Uобр)/R.

Напряжение стабилизации UCT стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона РСТ вычисляется как произведение тока IСТ на напряжение UCT:

РСТ = IСТ·UСТ.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по наклону вольтамперной характеристики.

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон.

Измерить значение напряжения Uобр и тока Iобр э на стабилитроне при значениях ЭДС источника, приведенных в таблице.

Вычислить ток Iобр т стабилитрона для каждого значения напряжения Uобр. Результаты вычислений занести в таблицу. Сравнить экспериментальные и теоретические результаты.

По экспериментальным данным таблицы построить вольтамперную характеристику стабилитрона.

Оценить по вольтамперной характеристике стабилитрона напряжение стабилизации UCT.

Вычислить мощность РСТ, рассеиваемую на стабилитроне при напряжении Е=20В.

РСТ = IСТ·UСТ.

Эксперимент 2. Получение ВАХ стабилитрона на экране осциллографа.

Включить схему.

Определить по графику на осциллографе UCT.

Исследование работы однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей

Цель:

1.Анализ процессов в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

2.Сравнение форм входного и выходного напряжений для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

3.Определение среднего значения выходного напряжения (постоянной составляющей) в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

4.Определение частоты выходного сигнала в схемах однополупериодного выпрямителя и двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора.

5.Сравнение максимальных значений выходного напряжения для схем двухполупериодного и однополупериодного выпрямителей.

6.Сравнение частот выходного сигнала для схем двухполупериодного и однополупериодного выпрямителей.

7.Анализ обратного напряжения Umax на диоде в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

8.              Исследование работы трансформатора в схеме выпрямителя.

Приборы и элементы:

      Амперметры

                 Вольтметры

                 Осциллограф

      Источник переменного напряжения

      Трансформатор виртуальный TS VIRTUAL

      Кремниевые диоды согласно первой таблице

      Резисторы

Среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая) однополупериодного выпрямителя вычисляется по формуле:

Ud = Um/π.

Значение Ud двухполупериодного выпрямителя вдвое больше:

Ud = 2Um/π.

Частота выходного сигнала f для схемы с однополупериодным или двухполупериодным выпрямителем вычисляется как величина, обратная периоду выходного сигнала:

f=l/T.

При этом период сигнала на выходе однополупериодного выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного. Максимальное обратное напряжение Umax на диоде однополупериодного выпрямителя равно максимуму входного напряжения. Максимальное обратное напряжение Umax на каждом диоде двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора равно разности удвоенного максимального значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2m и прямого падения напряжения на диоде UПР:

Umax = U2m - UПР.

Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряжения однополупериодного выпрямителя.

а). Включить схему.

a). На вход А осциллографа подается входной сигнал, а на вход В - выходной. Измерить амплитуду входного и выходного напряжения UВХmax; UВЫХmax.

б). Измерить период Т выходного напряжения по осциллограмме. Вычислить частоту выходного сигнала f.

в). Определить максимальное обратное напряжение UОБРmax на диоде.

г). Вычислить коэффициент трансформации K как отношение амплитуд напряжений на первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком к холостому ходу. Для этого, канал A осциллографа подключить к первичной обмотке, канал B – ко вторичной, от вторичной обмотки отключить нагрузку.

д). Вычислить среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая). Зафиксировать постоянную составляющую напряжения на выходе Ud, измеренную мультиметром. Сравните полученные данные.

Использование конденсатора в качестве фильтра позволяет значительно изменить форму выходного сигнала и его среднее значение. Изобразите полученную выходную характеристику. Опишите, как изменяется форма выходной характеристики с изменением емкости конденсатора и сопротивления нагрузки.

Эксперимент 2. Исследование входного и выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора.

а). Включить схему.

На вход А осциллографа подается входной сигнал, а на вход В — выходной. Измерить максимальные входное UВХmax и выходное UВЫХmax напряжения.

б). Измерить период Т по осциллограмме выходного напряжения и вычислить частоту выходного сигнала f.

в). По осциллограмме выходного напряжения, определить максимальное обратное напряжение UОБРmax на диоде

г). Вычислить среднее значение Ud выходного напряжения (постоянная составляющая). Зафиксировать постоянную составляющую напряжения на выходе Ud, измеренную мультиметром. С равните полученные данные.

Использование конденсатора в качестве фильтра позволяет значительно изменить форму выходного сигнала и его среднее значение. Изобразите полученную выходную характеристику. Опишите, как изменяется форма выходной характеристики с изменением емкости конденсатора и сопротивления нагрузки.

Мостовой выпрямитель

Цель:

1.Анализ процессов в схеме выпрямительного диодного моста.

2.Исследование осциллограмм входного и выходного напряжения для выпрямительного моста.

3.Сравнение осциллограмм выходного напряжения выпрямительного моста и двухполпериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора.

4.Измерение среднего значения выходного напряжения (постоянная составляющая) в схеме выпрямительного моста.

5.Сравнение максимального напряжения на диодах в мостовом и двухполупериодном выпрямителях.

6.Сравнение частот выходного напряжения в мостовом и двухполупериодном выпрямитлях.

7.Вычисление максимального обратного напряжения Umax на диоде выпрямительного моста.

Приборы и элементы

      Амперметры

      Вольтметры

      Осциллограф

      Источник переменного напряжения 220В

      Трансформаторы

      Кремниевые диоды согласно первой таблице

      Резисторы

Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки трансформатора и составляет 20:1.

Среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая) мостового выпрямителя вычисляется по формуле:

Ud = 2U2m/π,

где максимум вторичного напряжения на полной обмотке трансформатора U2m вычисляется по формуле:

U2m = U1m(n2/n1) = U1m/20,

U1m - максимальное значение напряжения на первичной обмотке трансформатора.

Максимальное обратное напряжение Umax на каждом диоде для схемы с выпрямительным мостом равно напряжению на вторичной обмотке U2m.

Частота выходного напряжения f для схемы с двухполупериодным мостовым выпрямителем вычисляется по формуле:

f=l/T,

где Т - период напряжения на выходе выпрямителя.

Эксперимент. Исследование входного и выходного напряжений мостового выпрямителя.

а). Включить схему.

На вход А осциллографа подается входной сигнал, а на вход В — выходной. Измерить максимальные входное UВХmax и выходное UВЫХmax напряжения

Измерить период Т по осциллограмме выходного напряжения и вычислить частоту f.

в). Определить максимальное обратное напряжение Uобр max на диоде.

г). Вычислим коэффициент трансформации K как отношение амплитуд напряжений на первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком к холостому ходу

д). Вычислить среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая). Зафиксировать постоянную составляющую напряжения на выходе Ud, измеренную мультиметром. Сравнить полученные данные.

Выполнить сравнительный анализ трех выпрямительных схем по основным харакиеристикам.

Лабораторная работа №2

Исследование биполярного транзистора.

Цель:

1.Исследование зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения база-эмиттер.

2.Анализ зависимости коэффициента усиления по постоянному току от тока коллектора.

3.Исследование работы биполярного транзистора в режиме отсечки.

4.Получение входных и выходных характеристик транзистора.

5.Определение коэффициента передачи по переменному току.

6.Исследование динамического входного сопротивления транзистора.

Приборы и элементы:

      Биполярный транзистор 2N****

                 Источники постоянной ЭДС

                 Амперметры

                 Вольтметры

      Осциллограф

      Диод

      Резисторы

Статический коэффициент передачи тока определяется как отношение:

.

Коэффициент передачи по переменному току определяется как

.

Дифференциальное входное сопротивление rВХ транзистора в схеме с общим эмиттером определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер

.

Через параметры транзистора его можно определить как

,

где rБ – распределенное сопротивление базовой области полупроводника,

rЭ – дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения rЭ=25/IЭ, где IЭ – постоянный ток эмиттера в миллиамперах.

Первое слагаемое rБ в выражении много меньше второго и им можно пренебречь:

.

Дифференциальное сопротивление rЭ перехода база-эмиттер для биполчрного транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением rВХОБ транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксированном значении напряжения база-коллектор:

.

Через параметры транзистора оно определяется как

.

Первым слагаемым можно пренебречь, поэтому в первом приближении можно считать:

.

Эксперимент 1. Определение статического коэффициента передачи тока транзистора.

а). Включить схему.

Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDC.

б). Установить номинал источника EБ равным 3В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDC.

в). Установить номинал источника EК равным 5В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер. По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора βDC.

Эксперимент 2. Измерение обратного тока коллектора.

Вновь установить номинал источника EК равным 10В. Изменить номинал источника ЭДС EБ до 0В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения коллектор-эмиттер.

Эксперимент 3. Получение выходной характеристики в схеме с общим эмиттером.

а). Измерить значения тока коллектора IК для каждого значения EК и EБ согласно таблице.

По данным таблицы построить график зависимости IК от EК в одних осях координат.

б). По выходной характеристике найти коэффициент передачи тока βAC при изменении базового тока с 10мкА до 30мкА при EК=10В.

Эксперимент 4. Получение входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.

а). Установить значение напряжения источника EК равным 10В и произвести измерения тока базы IБ, напряжения база-эмиттер UБЭ, тока эмиттера IЭ для различных значений напряжения источника EБ в соответствии с таблицей. Обратить внимание, что коллекторный ток примерно равен току в цепи эмиттера.

По данным таблицы построить график зависимости IБ от UБЭ.

б). По выходной характеристике найти сопротивление rВХ при изменении базового тока с 10мкА до 30мкА.

Лабораторная работа №3

Исследование характеристик операционного усилителя

Цель

1.Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ).

2.Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов ОУ.

3.Измерение напряжения смещения ОУ.

4.Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ.

5.Вычисление выходного сопротивления ОУ.

6.Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ.

Приборы и элементы

      Вольтметр

      Амперметр

      Осциллограф

      Функциональный генератор

      Источник напряжения

      ОУ по таблице AD*** (в соответствии с последней цифрой шифра)

      Резисторы

Интегральный операционный усилитель характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие.

Средний входной ток IВХ. В отсутствие сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10...20%

Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:

,

где I1 и I2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.

Разность входных токов ∆IВХ определяется выражением:

.

В справочниках указывают модуль этой величины.

Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе Ко - показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию - усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности.

Напряжение смещения UСМ - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю.

Напряжение смещения UСМ можно вычислить, зная выходное напряжение ∆UВЫХ при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления:

.

Входное сопротивление RВХ. - Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится обычно в пределах 10 кОм...10 МОм. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения ∆UВХ СФ к вызванному приращению среднего входного тока ∆IВХ СР:

.

Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле:

где ∆UВХ - изменение напряжения между входами ОУ, ∆IВХ - изменение входного тока.

Выходное сопротивление RВЫХ в интегральных ОУ составляет 20...2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки.

Скорость нарастания выходного напряжения VUвых равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течении которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.

.

Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Измерение входных токов.

Измерить входные токи ОУ I1; I2

По результатам измерений вычислить средний входной ток IВХ и разность ∆IВХ входных токов ОУ.

Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения.

Записать показания вольтметра ∆UВЫХ.

По результатам измерения, вычислить напряжение смещения UСМ, используя коэффициент усиления Ку инвертирующей схемы ОУ, вычисленный по параметрам схемы

.

Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений.

а). Измерить входной ток IВХ и выходное напряжение UBbIX при верхнем положении ключа.

Переключить ключ клавишей [Space]. Измерить входной ток после переключения ключа.

Рассчитать изменения входного напряжения и тока ∆UВХ; ∆IВХ.

По полученным результатам вычислить дифференциальное входное сопротивление ОУ RВХДИФ.

б). Уменьшить сопротивление нагрузочного резистора R3 до тех пор, пока выходное напряжение UВЫХ не будет примерно равно половине значения полученного в п. а).

Значение сопротивления R3 в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению UВЫХ ОУ.

Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ.

По осциллограмме определить величину выходного напряжения, время его установления и вычислить скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс.

Из показаний осциллографа получить время установленя tуст, а скорость нарастания будет равна VUвых.

Неинвертирующая схема включения усилителя

Цель:

1.Измерение коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на ОУ.

2.Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ.

3.Исследование влияния коэффициента усиления усилителя на постоянную составляющую выходного напряжения.

Приборы и элементы:

      Осциллограф

      Функциональный генератор

      Источник напряжения

      ОУ по таблице (в соответствии с последней цифрой шифра)

Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ вычисляется по формуле:

.

Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя U0ВЫХ определяется произведением напряжения смещения UCM на коэффициент усиления схемы Ку:

.

Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения.

Рассчитайте коэффициент усиления напряжения Ку усилителя по заданным значениям параметров компонентов схемы.

Измерьте амплитуды входного UBX и выходного UBЫX синусоидальных напряжений.

Также измерьте постоянную составляющую выходного напряжения U0ВЫХ, и разность фаз между входным и выходным напряжениями ∆φ.

По результатам измерений вычислите коэффициент усиления по напряжению Ку усилителя.

Используя значение напряжения смещения UCM, вычисленное в предыдущих экспериментах, и вычисленное теоретическое значение коэффициента усиления, вычислите постоянную составляющую выходного напряжения U0ВЫХ.

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.

Уменьшите значение сопротивления R1 с 100кОм до 10кОм, амплитуду синусоидального напряжения генератора увеличьте до 100 мВ. Повторите все операции эксперимента 1 при новых параметрах компонентов.

Инвертирующая схема включения усилителя

Цель

1.Измерение коэффициента усиления инвертирующего усилителя на ОУ.

2.Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ.

3.Исследование влияния коэффициента усиления схемы на постоянную составляющую выходного напряжения.

Приборы и элементы:

      Осциллограф

      Функциональный генератор

      ОУ по таблице (в соответствии с последней цифрой шифра)

      Резисторы

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью вычисляется по формуле:

.

Знак "минус" в формуле означает, что выходное напряжение инвертирующего усилителя находится в противофазе с входным напряжением.

Постоянная составляющая выходного напряжения U0ВЫХ усилителя зависит от коэффициента усиления Ку схемы и напряжения смещения UCM и вычисляется по формуле:

U0ВЫХ=UСМ·Ку

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Работа усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения.

Рассчитать коэффициент усиления напряжения Ку усилителя по значениям параметров компонентов схемы.

Включить схему.

Измерить амплитуду входного UBX и выходного UBbIX синусоидального напряжения, постоянную составляющую выходного напряжения U0BbIX, разность фаз между входным и выходным напряжением.

По результатам измерений вычислить коэффициент усиления по напряжению Ку усилителя.

Используя значение входного напряжения смещения UCM, полученное в предыдущих экспериментах и найденное значение коэффициента усиления, вычислить постоянную составляющую выходного напряжения U0BbIX.

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.

Установить значение сопротивления R1 равным 10 кОм, амплитуду синусоидального напряжения генератора - 100мВ. Для новых параметров схемы повторить все измерения и вычисления эксперимента 1.