Лабораторная работа №6
Вольтамперная характеристика диода на экране осциллографа
Цель работы: научиться получать ВАХ диода на экране осциллографа, а также определять по полученной характеристике значения токов и напряжений.
Приборы и принадлежности:
1. Генератор ФГ-100,
2. Осциллограф GOS-620,
3. Омметр (АВО-63, Щ4313 или мультиметр),
4. Полупроводниковые диоды,
5. Эталонный и ограничительный резисторы,
6. Плата для наблюдения ВАХ диода на экране осциллографа,
7. Соединительные провода.
Контрольные вопросы
1. Осциллограф GOS-620: назначение, правила эксплуатации, передняя панель осциллографа, назначение органов управления.
2. Канал вертикального и горизонтального отклонения луча в осциллографе.
3. Генератор развёртки осциллографа. Его назначение.
4. Как подготовить осциллограф к получению на его экране вольтамперной характеристики.
5. ВАХ полупроводникового диода: прямая и обратная ветви.
6. Схемы электрических цепей для наблюдения ВАХ диода, прямой и обратной ветвей ВАХ диода на экране осциллографа.
7. Назначение эталонного резистора в цепи для наблюдения ВАХ и расчёт его сопротивления.
8. Назначение ограничительного резистора в цепи для наблюдения ВАХ и расчёт его сопротивления.
Краткая теория
Схема электрической цепи
Для получения вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода на экране осциллографа необходимо, чтобы отклонение луча по оси «Y» осциллографа было пропорционально току, протекающему через диод, а по оси «X» - напряжению на его концах.
Однако коэффициент отклонения луча «Y» измеряется в вольтах на деление и, значит, подключая какой-либо элемент ко входу «Y», определяют напряжение, приложенное к этому элементу. Если же параллельно входу «Y» подключить резистор известного сопротивления (см.рис.1), то зная падение напряжения на этом резисторе, можно определить протекающий через него ток. Назовём данный резистор эталонным, а его сопротивление обозначим через 
. Тогда, ток через эталонный резистор равен: 
. Токи через исследуемый элемент и эталонный резистор будут равными при их последовательном соединении, а значит, чтобы отклонение луча «Y» было пропорционально току диода, необходимо (см. рис.1):
1. соединить последовательно исследуемый диод и резистор ;
2. резистор подключить ко входу «Y» осциллографа.
Можно сказать, что резистор и параллельно подключённый к нему вход «Y» осциллографа образуют амперметр, если достаточно мало. Малое значение следует из общего требования к измерителям тока: падение напряжения на амперметре должно быть как можно меньше, чтобы не изменять режим работы исследуемой цепи. Общее же сопротивление и входа «Y» будет меньше самого .
Пусть нам необходимо получить по оси Y коэффициент отклонения 1 
. Рассчитаем сопротивление эталонного резистора. Чтобы не нарушать требования, предъявляемые ко внутреннему сопротивлению амперметра, выберем наименьший коэффициент отклонения по оси Y k в 
. Для осциллографа GOS-620 k=5 
. Тогда: 
=5 Ом.
Рис.1
| 
Рис.2
| 
Рис.3
|
Напряжение с последовательно соединённых диода и эталонного резистора подаётся на вход «X» (см. рис.2). Если сопротивление много меньше, чем сопротивление диода, то падением напряжения на можно пренебречь. Тогда, можно считать, что вход «X» измеряет напряжение на диоде, т.е. является вольтметром.
Вид вольт-амперной характеристики будет зависеть от формы входного напряжения. Если на вход цепи подаётся постоянное по величине и направлению напряжение, то на экране будет наблюдаться точка, смещающаяся вдоль ВАХ в зависимости от величины подаваемого напряжения. Чтобы наблюдать непрерывную характеристику необходимо, чтобы входной сигнал быстро менялся во времени. Быстрая смена напряжения входного сигнала способствует быстрому смещению точки. В этом случае на экране осциллографа можно наблюдать непрерывную линию, соответствующую ВАХ. При подаче пульсирующего напряжения – напряжения переменного по величине, но постоянного по направлению – наблюдается прямая или обратная (в зависимости от полярности подключения) ветвь ВАХ диода. При подаче переменного по величине и направлению напряжения – и прямая и обратная ветви ВАХ одновременно. На рисунке 3 представлена схема цепи для наблюдения прямой ветви ВАХ диода на экране осциллографа.
Для того, чтобы напряжение на диоде не превысило предельно допустимое, и, соответственно диод не вышел из строя, в цепь целесообразно подключить ограничительный резистор сопротивлением 
(см. рис.3). Если падением напряжения на можно пренебречь, то в отсутствие в цепи практически всё входное напряжение приложено к диоду, тогда как при наличии в цепи часть напряжения приложено к диоду, а часть напряжения – к ограничительному резистору.
Расчет Rэт и Rогр
Определим сопротивление эталонного резистора . По закону Ома для участка цепи:
.
По закону последовательного соединения ток резистора равен току диода, а через диод, в свою очередь, не может протекать ток, больший чем предельно допустимый: 
.
Напряжение на по конструктивным особенностям схемы должно быть как можно меньше. Рассчитаем 
необходимое для максимального «размаха» характеристики по вертикали. Так как число делений по вертикали на экране осциллографа GOS-620 – восемь, а минимальный коэффициент отклонения луча по вертикали 5 
, то
а сопротивление
Определим сопротивление ограничительного резистора. По закону Ома для участка цепи:
.
По закону последовательного соединения 
, 
, где 
– напряжение на диоде. Так как 
мало по сравнению с напряжениями на входе и на диоде, то им можно пренебречь. Напряжение на диоде может быть не больше предельно допустимого: 
при максимально допустимом токе диода. Учитывая написанное, получим:
.
Значение входного напряжения выбирает сам экспериментатор, исходя из параметров источника входного сигнала, исследуемого диода, ограничительного и эталонного резисторов.
Выполнение эксперимента
В соответствии со схемой (см. рис.3), напряжение на горизонтально отклоняющие пластины подаётся с внешнего участка цепи. Следовательно, для того, чтобы видеть на экране ВАХ, генератор развёртки необходимо отключить.
Порядок включения приборов при проведении эксперимента следующий:
1. собрать электрическую цепь по схеме, соответствующей заданию;
2. убедиться, что ручки источников входного сигнала выведены «на ноль»;
3. отключить генератор развёртки осциллографа; ручки, регулирующие коэффициенты отклонения луча вдоль осей X и Y установить в соответствующее положение (X – от 0,1 
до 0,5 ; Y – от 
до 
);
4. включить осциллограф, получить на его экране точку, установить точку в нижнюю область экрана посередине;
5. включить источник входного сигнала, подать с него необходимое напряжение (при подаче синусоидального напряжения на вход цепи справа от точки будет наблюдаться прямая ветвь, слева – обратная ветвь ВАХ диода);
6. произвести по полученной ВАХ измерения тока и напряжения диода (цена деления по оси напряжений будет равна коэффициенту отклонения по входу X, цена деления по оси тока будет равна отношению коэффициента отклонения по входу Y к сопротивлению ).
Лабораторные задания:
1. Собрать схемы электрических цепей для наблюдения ВАХ диодов Д226, Д220 и Д311 на экране осциллографа, предварительно рассчитав сопротивление ограничительного и эталонного резисторов. Некоторые параметры диодов представлены в следующей таблице:
| Параметры | Диод | ||
| Д220 | Д226 | Д311 | |
| Максимальный средний прямой ток | 50 mA | 300 mA | 40 mA |
| Максимальный обратный ток | 1 µA | 50 µA | 100 µA |
| Постоянное прямое напряжение при прямом максимально допустимом токе | 1,5 В | 1В | 0,4 В |
| Максимально допустимое обратное напряжение | 50 В | 200-400 В | 30 В |
2. Получить на экране осциллографа вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов и зарисовать их в тетради в одних координатных осях с учетом масштаба.
Литература:
1. Инструкции к приборам.
2. Иноземцев В.А., Иноземцева С.В. Введение в электронику / Под ред. В.А. Иноземцева. - Брянск: Издательство БГПУ, 2000. - 150 с.