В тази история ще ви разкажа как, в лабораторията по "Полупроводникови елементи", "Базова схемотехника" и "Електротехника", моите студенти сами си направиха характериографи и с тях изследваха волт-амперните характеристики на различни двуполюсни елементи. По принцип, съществуват такива професионални уреди, но те са затворени и вътрешното им устройство е недостъпно за студентите. Ето защо, предпочетох те да си ги проектират и направят сами, за да ги разберат. Този подход използвам от 2015 г., когато трябваше да организирам и водя лабораторните упражнения по "Полупроводникови елементи" в катедра ИТИ.
Изследване на волт-амперни характеристики на двуполюсни елементи
По-голямата част от "постояннотоковите" елементи, с които работим в лабораторията, имат само два извода (двуполюсници). Типични примери са резисторите и диодите (силициеви, германиеви, ценерови, светодиоди и др.) С какво се характеризират те? Как можем да ги изследваме?
Волт-амперна характеристика
Зависимостта между тока и напрежението, представена графично, се нарича волт-амперна характеристика (ВАХ, IV curve). Прието е напрежението винаги да се нанася по X, а токът - по Y, независимо от това кое е входната величина (аргументът) и кое е изходната величина (функцията). Волт-амперната характеристика на един резистор представлява права линия, преминаваща през началото на координатната система. Това изразява линейната зависимост между тока и напрежението (закон на Ом в графичен вид), докато ВАХ на един диод е силно нелинейна с ясно изразена вертикална част.
Снемане чрез "идеален" източник на напрежение...
И така, с помощта на един "идеален" източник на напрежение, можем да прилагаме напрежение V върху един резистор със съпротивление Rx и да отчитаме тока I, протичащ през него, съгласно закона на Ом, записан в правата си форма I = V/Rx. Този начин не е подходящ за снемане на вертикалната част на ВАХ на диод (синята характеристика), защото трудно се получават достатъчен брой точки. В хоризонталната част няма този проблем, но тя пък не е интересна.
 |
| Фиг. 1. ВАХ I = f(V) на резистор R и диод D, получени чрез вариращ "идеален" източник на напрежение... |
... чрез "идеален" източник на ток...
Обратно, с помощта на един "идеален" източник на ток, можем да пропускаме ток I през резистор със съпротивление Rx и да отчитаме напрежението V, което възниква върху него, съгласно закона на Ом, записан в обратната си форма V = I.Rx. Този начин е подходящ за снемане на вертикалната част на ВАХ на диод (D), защото лесно се получават достатъчен брой точки. Сега в хоризонталната част трудно се получават достатъчен брой точки, но тя не е интересна.
 |
| Фиг. 2. ВАХ V = f(I) на резистор R и диод D, получени чрез вариращ "идеален" източник на ток... |
Така резисторът може да бъде разглеждан като един линеен функционален преобразувател, в който едната величина е входна, а другата - изходна (т.е., като преобразувател напрежение-ток и ток-напрежение). Съответно, диодът може да бъде разглеждан като един нелинеен (антилогаритмичен и логаритмичен) функционален преобразувател.
... чрез реален източник на напрежение
По-горе стигнахме до извода, че с помощта на един "идеален" източник на напрежение (с вертикална ВАХ) можем удобно да снемаме хоризонталните части на ВАХ на изследваните елементи, а с "идеален" източник на ток (с хоризонтална ВАХ) - вертикалните им части.
За да снемем цялата ВАХ на изследвания елемент, можем просто да използваме реален източник на напрежение (с наклонена ВАХ):
 |
| Фиг. 3. ВАХ на резистор R и диод D, получени чрез вариращ реален източник на напрежение. |
Измисляне на устройството върху черната дъска
Ето един възможен сценарий за построяване на схемата:
1. Сглобяваме регулируем (реален) източник на напрежение посредством идеален източник на напрежение Vvar и последователно свързан резистор R. Принуждаваме го да работи като източник на ток, като го даваме "накъсо".
 |
Фиг. 4. Регулируем реален източник на ток, изграден чрез идеален източник на напрежение Vvar и последователно свързан резистор R.
2. Разкъсваме веригата и включваме изследвания елемент - в случая, силициев диод D. |
 |
| Фиг. 5. Изследваният елемент - диода D, включен последователно във веригата. |
Сега трябва да решим коя точка от схемата да използваме като "маса" (опорно напрежение, спрямо което да отчитаме останалите напрежения). Имаме три възможности:
3. Отрицателният полюс на източника е "маса"? Най-логично изглежда да използваме общоприетата точка за "маса" - отрицателния полюс на източника (долния край на резистора R). Но се получава грешка, защото напрежението Vy се явява част от напрежението Vx.
 |
| Фиг. 6. Отрицателният полюс на източника (долният край на резистора R) |
служи за "маса". |
4. Положителният полюс на източника е "маса"? Опитвайки се да решим проблема, можем да изберем положителния полюс на източника (горния извод на изследвания елемент ) за "маса". Но сега пък се получава грешка, защото напрежението Vx се явява част от напрежението Vy. Какво да правим?
 |
| Фиг. 7. Положителният полюс на източника (горният край на изследвания елемент D) служи за "маса". |
5. Общата точка на двата елемента е "маса". И тук ни хрумва "гениалната" идея да използваме средната точка на веригата от два последователно свързани елемента като "маса". Така двете напрежения са независими едно от друго и няма грешка.
 |
| Фиг. 8. Общата точка на двата елемента служи за "маса". |
Но възниква един малък проблем - напрежението Vy се получава с отрицателна стойност и изображението е огледално обърнато. Може би това е накарало на времето конструкторите на осцилоскопи да сложат функция за инвертиране (бутон INVERT) на втория канал, която обръща изображението и ние го виждаме нормално.
Реализиране на схемата
Нашите осцилоскопи са аналогови и те изискват периодично повтарящи се входни сигнали. Най-лесно е да ги получим чрез един понижаващ трансформатор T, включен в захранващата мрежа с честота 50 Hz. Трансформаторите, с които разполагаме в лабораторията, дават изходно напрежение с пикова стойност 24 V.
 |
Фиг. 9. Променлив източник на напрежение (понижаващ трансформатор за 17V).
|
Прилагаме още една хитрина, като избираме съпротивленето на резистора R със стойност 1 kom. Така, стойността на напрежението Vy [V] директно отговаря на стойността на тока IF [mA].
 |
| Фиг. 10. Окончателна схема на характериографа. |
Изследване на различни елементи
- Постоянни резистори (по дисциплината "Електротехника")
 |
| Фиг. 11а. Опитна постановка за снемане на ВАХ на постоянен резистор 1 k... |
 |
| Фиг. 11б. ... в едър план. |
- Променливи резистори (по дисциплината "Електротехника")
 |
| Фиг. 12а. Опитна постановка за снемане на ВАХ на променлив резистор 1 k... |
 |
| Фиг. 12б. ... в едър план... |
Фиг. 12в. Изследване на променлив резистор.
- фоторезистори (по дисциплината "ППЕ")
Фиг. 13а. Изследване на фоторезистор.
 |
Фиг. 13б. Фоторезистор върху платката в едър план...
|
- Терморезистори (по ППЕ)
- Проводящ дунапрен
 |
| Фиг. 20в. ВАХ на силициев диод 1N4007 |
 |
| Фиг. 20г. Опитна постановка за снемане на ВАХ на германиев диод (преход на транзистор SFT 323) |
 |
| Фиг. 20д. Германиев диод (преход на транзистор SFT 323) върху платката в едър план |
 |
| Фиг. 20е. ВАХ на германиев диод (преход на транзистор SFT 323) |
 |
| Фиг. 20ж. Опитна постановка за снемане на ВАХ на ценеров диод 5,1 V |
 |
| Фиг. 20з. Ценеров диод 5,1 V върху платката в едър план. |
 |
| Фиг. 20и. ВАХ на ценеров диод 5,1 V |
- светодиоди (с различни цветове)
 |
| Фиг. 20й. Опитна постановка за снемане на ВАХ на червен светодиод |
 |
| Фиг. 20к. Червен светодиод върху платката в едър план |
 |
| Фиг. 20л. ВАХ на червен светодиод |
- Паралелно свързване на светодиоди с различно прагово напрежение
Comments
Post a Comment