|
|
3.2 Осциллографическое исследование варистора.
Подать питание на схему рис.3.5. Зарисовывать на кальку ВАХ варистора при напряжении на входе 60 В. Определить масштабы по току (по оси у) и по напряжению (по оси x) для чего, не трогая регуляторов усиления осциллографа, переключатель П1 перевести в положение «2». На экране осциллографа получится наклонная прямая – ВАХ линейного резистора. Регулируя напряжение, добиться того, чтобы ее крайние точки не выходили за пределы экрана осциллографа. Масштабы (при R >> Ro) рассчитываются следующим образом:
(3.5)
где U – напряжение, измеренное вольтметром, X, Y – проекции ВАХ на оси х, у.
3.3 Исследование мостового стабилизатора напряжения на варисторах
Опыт проводится по схеме рис. 3.6 в режиме холостого хода (Rн = ¥).
а) Исследование моста на постоянном токе.
Отключить осциллограф рубильником К. Переключатель П2 установить в положение «1». Подключить к схеме источник постоянного напряжения и регулируя его напряжение, установить по цифровому вольтметру V напряжение Uвх на входе стабилизатора 10 В. Установить переключатель П2 в положение «2» и измерить напряжение Uвых на выходе стабилизатора. Провести аналогичные измерения при увеличении входного напряжения до 80 В (через 10 В). Результаты опыта занести в табл.3.2. Коэффициент стабилизации рассчитывается по формуле 3.4.
Таблица 3.2
Uвх, В
Uвых =, В
Uвых~ , В
Kст =
Kст ~
0
0
0
10
20
…
80
После проведения опытов отключить от схемы источник постоянного напряжения.
б) Исследование моста на переменном токе.
Включить осциллограф и подключить его к исследуемой цепи, замкнув рубильник К. Переключить клеммы и переключатель рода работы цифрового вольтметра в режим измерения переменного напряжения. Подать на вход схемы переменное напряжение от задающего генератора ЗГ и провести измерения, аналогичные п. 3.3.а. Результаты измерений занести в табл. 3.2. Для трех значений напряжения, соответствующих участкам ab, bc и cd на рис.3.4, снять на кальку осциллограммы напряжений Uвых(t).
4. Оформление отчета
1. Привести схемы экспериментальных установок, данные измерительных приборов и исследуемых элементов, а также таблицы с результатами измерений и вычислений.
2. По данным таблицы 3.1 построить ВАХ варистора, снятую на постоянном токе.
3. Построить с указанием масштабов по осям ВАХ варистора на переменном токе.
4. По данным табл. 3.2 построить характеристики «вход-выход» стабилизатора напряжения Uвых(Uвх), снятые на постоянном и переменном токе.
5. Привести качественные осциллограммы напряжений на выходе мостового стабилизатора.
6. Дать краткие выводы по работе.
Контрольные вопросы.
1. Что называется варистором? Из каких материалов их изготавливают?
2. Чем обусловлена нелинейность ВАХ варистора?
3. Что такое степень нелинейности и как используя этот параметр можно аппроксимировать ВАХ варистора?
4. Где применяют варисторы и почему?
5. Как устроен и как работает мостовой стабилизатор напряжения на варисторах?
6. Каким параметром оцениваются стабилизирующие свойства стабилизатора напряжения?
7. Как степень нелинейности ВАХ варистора влияет на величину коэффициента стабилизации?
8. Как получить ВАХ варистора на экране осциллографа?
Работа 4. Исследование свойств фоторезисторов
Цель работы – исследование основных характеристик фоторезисторов:
1) определение зависимости величины сопротивления от освещенности;
2) получение вольтамперных характеристик при различных значениях освещенности;
3) определение зависимости фототока от величины освещенности
4) определение интегральной чувствительности.
1. Краткие сведения из теории
Фоторезистором называется полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется под действием оптического излучения.
Работа некоторых полупроводниковых элементов основана на использовании фотоэлектрического эффекта – явления взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. В твердых и жидких полупроводниках различают внешний и внутренний фотоэффекты. В первом случае поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов из вещества. Во втором – электроны, оставаясь в веществе, переходят из заполненной энергетической зоны в зону проводимости, обуславливая появление фотопроводимости. В газах фотоэффект состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения. Внутренний фотоэффект, возникающий в паре из электронного и дырочного полупроводников, понижает контактную разность потенциалов, выполняя непосредственное преобразование электромагнитного излучения в энергию электрического поля, что используется в фотодиодах, фототранзисторах. Наиболее ярко внутренний фотоэффект выражен в таких полупроводниковых материалах как селен, германий, кремний, различные селенистые и сернистые соединения таллия, кадмия, свинца и висмута. Из этих материалов изготавливают фотоэлементы и фоторезисторы.
В отсутствие облучения фоторезистор обладает некоторым большим сопротивлением Rт, которое называется темновым. Величина темнового сопротивления определяется температурой и чистотой полупроводника. При приложении к фоторезистору разности потенциалов в цепи возникает ток I = Iо+ Iф, (4.1)
где Iо – темновой ток, Iф – фототок. Зависимость фототока от освещенности (светового потока) называется световой характеристикой (рис. 4.1). Фоторезисторы обладают линейной вольтамперной характеристикой, получаемой при неизменной освещенности Е (рис. 4.2).
Основным параметром фоторезисторов является интегральная чувствительность, под которой понимают отношение фототока к вызвавшему его появление световому потоку белого (немонохромного) света и приложенному напряжению:
(4.2)
где S – облучаемая площадь фоторезистора, Gф – фотопроводимость, – световой поток. Интегральная чувствительность выражается в микро- или миллиамперах на вольт-люмен (мкА/В×лм, мА/В×лм). С ростом освещенности величина интегральной чувствительности уменьшается, так как световая характеристика Iф(E) имеет зону насыщения.
Недостатками фоторезисторов являются значительная зависимость сопротивления от температуры, характерная для полупроводников, и большая инерционность, связанная с большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения. Постоянная времени t различных типов фоторезисторов колеблется в пределах 4×10-5 …3×10-2 с. Так, для фоторезисторов марок ФС-КО, ФС-К1 t = 2×10-2 с, для ФС-А1 – t = 4×10-2 с. Это ограничивает быстродействие и затрудняет контроль быстрых изменений освещенности в приборах с фоторезисторами (рис.4.3).
2. Описание экспериментальной установки
Фоторезистор (рис. 4.4) состоит из диэлектрической пластины 1, на которую нанесен слой светочувствительного полупроводникового вещества 2. С противоположных сторон этого слоя укреплены электроды 3. Для защиты от механических воздействий фоторезистор запрессовывается в пластмассовую оправу с прозрачным окном, штырьки которой соединены с его электродами.
В лабораторной установке фоторезистор располагается внутри темновой камеры на специальной панели. Рядом размещается фотоэлемент, являющийся датчиком люксметра – прибора, измеряющего освещенность. В противоположном конце камеры на одинаковом расстоянии от фоторезистора и фотоэлемента помещен источник света с регулируемым световым потоком. Ручка регулятора потока расположена на лицевой панели установки. Там же указаны облучаемая площадь и темновое сопротивление фоторезистора. Для измерения сопротивления и тока фоторезистора используется универсальный цифровой вольтметр. Вольтамперные характеристики снимают по схеме рис. 2.5.
3. Порядок проведения работы.
3.1 Определение зависимости сопротивления фоторезистора от освещенности.
Подготовить цифровой вольтметр к измерению сопротивлений, для чего переключатель рода работ установить в положение «R», предел измерения – «10 мОм». Подключить цифровой вольтметр к клеммам фоторезистора, расположенным на правой боковой панели лабораторной установки.
Подать напряжение на стенд, переведя тумблер питания, расположенный на лицевой панели, в положение «Вкл». Изменяя освещенность регулятором на лицевой панели в соответствии со значениями в табл. 4.1, измерить и занести в табл. 4.1 сопротивление фоторезистора.
Таблица 4.1
E
лк
0
5
10
25
50
75
100
125
150
R
мОм
Rт
b=Rт/R
–
3.2 Снятие семейства вольтамперных характеристик фоторезистора.
Собрать схему в соответствии с рис. 2.5. Подготовить цифровой вольтметр к измерению тока, для чего переключатель рода работ поставить в положение «мкА», предел измерения «100». Установить освещенность Е = 10 лк. Изменяя напряжение на выходе источника постоянного напряжения от 0 до 30 В (через 5 В), измерить и занести в табл. 4.2 значения тока через фоторезистор. Повторить опыт при значениях освещенности 15, 25 лк. Темновой ток (при Е = 0) рассчитать по закону Ома:
Таблица 4.2
E = 0
Е= 10 лк
Е =15 лк
Е = 25 лк
U
Io
I
Iф
Sи
I
Iф
Sи
I
Iф
Sи
В
мкА
мкА
мкА
мкА/лм×В
мкА
мкА
мкА/лм×В
мкА
мкА
мкА/лм×В
0
…
30
3.3 Определение зависимости интегральной чувствительности фоторезистора от величины освещенности.
Зависимость Sи(E) определяется по схеме предыдущего опыта при неизменном значении напряжения U = 25 В. Результаты опыта и расчетов занести в табл. 4.3.
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.