ЛУ2 ППЕ ИТИ 2021

Първата седмица от лабораторния цикъл на първото лабораторно упражнение премина успешно. Наложи се да направя някои корекции в заданието, за да отразява то по-точно какво правихме в лабораторията. По-конкретно, преместих някои части от уводната теоретична част в следващото второ упражнение (обясненията на графо-аналитичния подход и протоколите - образци). И въпреки, че първият цикъл все още не е завършил, реших да кача и следващото упражнение. Така може да се добие по-добра представа какво сме правили и какво ни предстои да правим. А то ще бъдат предимно практически дейности - това, което сме обсъждали досега, ще го реализираме на практика.

За целта първо ще се запознаем (практически) с техническите средства в лабораторията - измервателни уреди, захранващи устройства, експериментални платки, монтажни инструменти, изследвани елементи... След това ще измислим опитната постановка за статично изследване на диоди... ще я реализираме и изследваме различни елементи. Всичко това ще опишем в "протоколите" - вие в тетрадките, аз - на черната дъска.

ЛУ 2: Статично изследване на диоди

I. Организационни въпроси

Работни места: В лабораторията има четири работни места на двете редици от съединени маси в средата и до бялата дъска), като при необходимост, студентите се разполагат от двете страни на работното място. Редицата от три съединени маси пред черната дъска е служебна. На нея, в началото на упражнението, са разположени техническите средства (уреди, инструменти, елементи) за провеждане на лабораторните експерименти. На всяко работно място има разклонител за захранване на уредите, в който се включват захранващите устройства (адапторите) и осцилоскопите. Компютрите не се използват по тази дисциплина.

II. Основни електрически понятия

Методи за визуализиране на електрическите величини (интуитивна представа, аналогии):

• Напрежителни стълбчета: напреженията и напрежителните падове се представят чрез вертикални отсечки с пропорционална височина.
• Потенциални диаграми: локалните потенциали по протежение на резистивните слоеве се представят чрез вертикални отсечки с пропорционална височина.
• Токови контури: траекторията на токовете се представя чрез затворени линии (контури) с пропорционална дебелина.
• Графоаналитичен метод:
• Волт-амперна характеристика (ВАХ) на двуполюсни елементи. Зависимостта на изходната от входната величина Y = f(X) на един елемент в аналитичен, табличен или графичен вид се нарича предавателна характеристика. Входната и изходната величина могат да бъдат напрежения, токове или и двете. При двуполюсниците те са напрежение и ток; затова тази зависимост при тях се нарича волт-амперна характеристика (ВАХ).
• Идеята на графо-аналитичния метод:
• Формално обяснение: Дефинираме ”товарна права”, която пресича характеристиката на изследвания елемент. Положението на правата се определя чрез двете й крайни точки като от V = E - I.R първо се полага V = 0, тогава I = E/R; след това се полага I = 0, тогава V = E.

Фиг. 1

• Интуитивно обяснение (на Фиг. 1 е показан пример с делител на напрежение). Чрез еквивалентни преобразувания, свеждаме електрическата верига до два, включени един към друг двуполюсника - източник и товар. Всеки от тях се характеризира с волт-амперната си характеристика, която представя всички възможни комбинации от стойности на напрежението V и тока I. В определен момент на времето действа само една от възможните комбинации и тя определя положението на само една точка A от графиката - работната точка на веригата. Понеже напрежението и токът са едни и същи за двата елемента, работната точка се получава от пресичането на волт-амперните им характеристики, начертани в една обща координатна система. Характеристиката на елемента, свързан към маса, започва от началото на координатната система и е наклонена надясно, а характеристиката на другия елемент е отместена надясно и наклонена наляво.

• Линейни и нелинейни елементи (резистор и диод) и техните волт-амперни характеристики. Статично и диференциално съпротивление.

III. Електрически експерименти

1. Изследване на измервателни уреди (бегло, доколкото е необходимо за провеждане на началните експерименти):

• “Изобретяване” и изследване на волтметър
• Магнитоелектрически волтметър (сглобяване чрез микроамперметър + резистор последователно)
• Електронен мултиметър - устройство (идейно), режими на работа
•  Как може да бъде “изгорен” един волтметър (включване към "идеален" източник на ток)?
• “Изобретяване” и изследване на амперметър
• Сглобяване чрез волтметър + резистор паралелно
• Отваряне на електронен мултиметър и изследване на шунтовите резистори. Обясняване на ролята на предпазителя. Как може да бъде “изгорен” един амперметър (включване към "идеален" източник на напрежение)?

2. Изследване на източници

• Изследване на източник на напрежение
• "Идеален” източник на напрежение:
• Без товар (на празен ход)
• С товар (резистори с различни стойности или няколко с еднаква стойност паралелно)
• Реален източник на напрежение (“идеален” източник на напрежение с последователно добавен резистор с малко съпротивление):
• Без товар (на празен ход)
• С товар (резистор с различни стойности  или няколко с еднаква стойност паралелно)
• Разглобяване на различни батерии (9 V, 1,5 V, 12 V) и изследване на вътрешното им устройство
• “Изобретяване” и изследване на реален източник на ток
• Сглобяване чрез "идеален" източник на напрежение и резистор с голямо съпротивление, включен последователно.
• Изследване при: товар накъсо, резистор, отворена верига. Разглеждане на приложения в транзисторните схеми по ППЕ (изследване на диоди по ток, захранване на светодиоди, базов резистор).

IV. Реализация на опитната постановка

Експериментите ще осъществяваме върху експериментални платки за свързване на елементи без запояване (prototyping board) - Фиг. 2. Те се състоят от пластмасов корпус с множество отвори, групирани в групи от по пет отвора. Захранващите шини (в горната и долната част на платката) са оформени чрез свързване на по пет такива групи под формата на права линия. Отдолу, под отворите, има пружиниращи контакти, в които влизат изводите на елементите. 5-те контакта на всяко отворче са свързани помежду си и така оформят електрическо островче (възел). Електрическите връзки между гнездата са очертани на фигурата чрез черни линии.

Изводите на елементите се пъхат в отворите. Стремете се да огъвате изводите им под прав ъгъл, за да се получи красив монтаж.

Връзките между островчетата се правят чрез съединителни проводничета (джъмпери). В прозрачните кутийки има джъмперчета с различни размери. Можете да ги огъвате, за да регулирате дължината им.

Фиг. 2

На Фиг. 3 е показана платка с частично отстранена долна част. Виждат се тънките пластини, които свързват гнездата; те отговарят на черните линии върху лицевата част на платката.

Фиг. 3

На Фиг. 4 е показана платка с изцяло отстранена долна част. Отстрани се виждат извадени пружиниращи контакти.

Фиг. 4

V. Статично изследване на диоди:

1. Измисляне на опитната постановка за статично изследване на диод. Използваме знанията от електрическите вериги, които разгледахме в началните части на миналото и сегашното упражнение. Необходими са ни общо три елемента, свързани последователно - източник на постоянно напрежение, ограничителен резистор и изследван диод:

• Източникът на постоянно напрежение представлява стабилизиран токоизправител за 12V/1A (адаптор с импулсно захранване).
• Резисторът е с “удобна” стойност - 1 ком. Тя ни спестява доста изчисления (защо?)
• Диодите са силициеви, германиеви, Шотки, светодиоди, ценерови, всякакви... - Фиг. 5.

Фиг. 5

“Статично” изследване на веригата означава постоянно захранващо напрежение и постоянно съпротивление; превключват се само различни видове диоди. Първо схемата се оразмерява с помощта на законите на Ом и Кирхоф и след това се изследва - Фиг. 6.

Фиг. 6

2. Реализация на опитната постановка върху експерименталната платка.

• Монтиране на елементите
• Свързване на измервателните уреди. Използват се цифрови мултиметри със специални миниатюрни "сонди", които се включват директно в гнездата на експерименталната платка - Фиг. 7.

Фиг. 7

Моля, внимателно пъхайте "сондите" в отворите, за да не се огъват и чупят. За целта, хващайте изолацията на проводника в самия му край.

3. Изследване на различни диоди. Измерват се входното напрежение, падовете на напрежение върху резистора и диода, и тока, протичащ през елементите. Наблюдава се как се мени работната точка (напрежението и тока) при промяна на температурата (загряване с поялник, сешоар или друг нагревател). Пример за изследване на светодиод е показан на Фиг. 8.

Фиг. 8

Изправността на диодите и изводите им може да се проверят чрез омметър – измерва се съпротивлението на диода в едната и другата посока. Забележете, че има специален обхват за тази цел. Защо?

4. Описване в протоколите (вижте образците по-долу)