Лабораторный практикум по электричеству и магнетизму: Учебно-методическое пособие. Часть 5

1

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

ЛА БО РА Т О РН Ы Й ПРА К Т И К У М ПО ЭЛЕ К Т РИ ЧЕ СТ В У И М А ГН Е Т И ЗМ У Часть5 У чебно-методическоепособие Специальности: 010701 (010400) – ф из ика, 010801 (013800) – р адиоф из ика и электр оника, 010803 (014100) – микр оэлектр оника и полупр оводниковы епр ибор ы

В О РО Н Е Ж 2005

2

У твер ж дено научно-методическим советом ф из ического ф акультета (27.02.05 г., пр отокол № 2)

Составители: А лейников Н .М ., А лейников А .Н .

У чебно-методическоепособиепо электр ичеству и магнетиз му (часть 5) подготовлено на каф едр еобщ ей ф из ики ф из ического ф акультета В ор онеж ского государ ственного универ ситета. Рекомендуется для аудитор ной и самостоя тельной подготовки студентов 2 кур са дневного и вечер него отделений ф из ического ф акультета.

3

Лабор атор ная р абота № 9 И З У Ч Е НИ Е Ц Е П Е Й П Е РЕ М Е ННО Г О Т О К А Ц ел ь работы: оз накомиться с из мер ения ми активны х и р еактивны х сопр отивлений, я влением электр ического р езонанса, пр овер ить з акон О ма для пер еменного тока. Пер еменны й ток – это ток, котор ы й из меня ется со вр еменем по величине и напр авлению. Н а пр актике в больш инстве случаев имеют дело с токами, котор ы еиз меня ются по гар моническому з акону I = I0 cos(ω t+ϕо ) (1), гдеI – мгновенноез начениетока в момент вр емени t, I0 – амплитуда тока, ω t+ϕо – ф аз а колебаний, ϕо – начальная ф аз а, ω – циклическая частота колебаний. И спольз уемы едля цепей постоя нного тока з акон О ма и пр авила К ир хгоф а могут пр именя ться для цепей пер еменного тока только в случая х, когда вы полня ется условиекваз истационар ности

T >> гдеT =

l , c

2π – пер иод колебаний пер еменного тока, l – длина контур а, по котор оω

му р аспр остр аня ется электр ический сигнал, c – скор ость р аспр остр анения электр ического сигнала. Т акиетоки наз ы ваются кваз истационар ны ми. В р аботер ассматр иваются только случаи с кваз истационар ны ми токами. Расчеты электр ических цепей с пер еменны ми токами услож ня ются тем, что в р аз ветвленны х цепя х токи и напр я ж ения на р аз личны х участках могут отличаться ф аз ами. А налитические р еш ения систем ур авнений с использ ованием пр авил К ир хгоф а могут пр едставля ть довольно слож ны е и гр омоз дкиенабор ы тр игонометр ических ф ункций. Н агля днееи удобнееделать это гр аф ически, использ уя такназ ы ваемы й метод вектор ны х диагр амм. О снован этот метод на следующ ем. Н есмотр я на то что и ток и напр я ж ение– величины скаля р ны е, их аналитическиевы р аж ения , подобны е(1), ф ор мально совпадают с ур авнения ми пр оекций вектор а ā, вр ащ ающ егося с угловой скор остью ω x=acos(ω t+ϕо) или y=asin(ω t+ϕо). Рассмотр им пр имер ы пр остейш их цепей, содер ж ащ их активное сопр отивлениеR, индуктивность L, емкостьС. 1. Пер еменны й токв цепи сактивны м сопр отивлением R. Пусть в схемер ис.1а с источником пер еменной эдс Е чер ез сопр отивлениеR идет токIR=I0R cosω t. По з акону О ма напр я ж ениеUR на сопр отивлении R UR=IR R=I0R Rcosω t= U0R cosω t. И з последнего вы р аж ения следует, что напр я ж ение UR и ток IR из меня ются синф аз но (р ис.1б). Соответствующ ая этому случаю вектор ная диагр амма пр иведена на р ис.1в.

4

I U

UR IR

R E

U0R=

t a

R

в

б Рис.1

2. В цепи с индуктивностью (р ис.2а) пр и из менении тока IL=I0Lcosω t воз никает эдссамоиндукции Е s = − L

dI . Пр именим з акон О ма для полной цепи dt

IR=E+Es. Считая индуктивность идеальной, для котор ой активноесопр отивлениеR=0, получим E= –Es=L dI/dt= –I0LωLsinωt= I0LωLcos(ωt+π/2). Т .к. напр я ж ениена индуктивности р авно эдсисточника E, получим UL= I0LωLcos(ω t+π/2) = U0Lcos(ω t+π/2), откуда следует, что напр я ж ениеUL опер еж ает по ф аз еток IL на величину π/2 (р ис.2б). Н а р ис.2в пр иведена соответствующ ая вектор ная диагр амма. В еличина XL=ωL я вля ется индуктивны м сопр отивлением. I U _π

L

U0L=

IL

ωL

_ + π2

2

E

t UL a

в

б

Рис.2 3. В цепи с емкостью С (р ис.3а) ток чер ез конденсатор IC =I0C cosω t обусловлен из менением з ар я да на обкладках конденсатор а IC = dq/dt. И нтегр и-

∫

р уя IС, получим q = I С dt =

I 0С sin ωt . ω

Н апр я ж ениеUC на конденсатор еопр еделя ется з ар я дом на его обкладках I 0C I sin ω t = 0C cos ω t − π = U 0C cos ω t − π , UC = q/C, т.е. U С = 2 2 ωC ωС откуда следует, что напр я ж ениена конденсатор еUC отстает по ф аз еот тока IC на π/2 (р ис.3б). Соответствующ ая вектор ная диагр амма пр иведена на р ис.3в. В еличина XС=1/ωC пр едставля ет емкостноесопр отивление.

(

)

(

)

5

I U __ π

I U

C

2

_π

E

t

2

/ω

б

a

в

Рис.3 4. О бобщ енны й з акон О ма для пер еменного тока. Пр и последовательном включении активного сопр отивления R, индуктивности L и емкости C в цепьпер еменного тока (р ис.4а) токи IR, IL и IC одинаковы и одновр еменно достигают амплитудны х з начений, т.е. I0R =I0L =I0C =I0. Н а вектор ной диагр амме (р ис.4б) амплитуда напр я ж ения U0R = синф аз на сI0, а амплитуды напр я ж ений U0L=I0ωL и U0C =I0 /ωC сдвинуты по ф аз еотносительно тока I0 соответственно на +π/2 и –π/2. А мплитуда полного напр я ж ения U0 есть р езультат вект 2 2 ор ного слож ения величин U0R , U0L и U0C , т.е. U 0 = I 0 R + (ωL − 1 / ωC ) ,

U0

или I 0 =

(2).

R + (ωL − 1 / ωC ) У р авнение(2) я вля ется обобщ енны м з аконом О ма для пер еменного тока. В еличина Z = R 2 + (ωL − 1 / ωC ) 2 я вля ется полны м сопр отивлением для данной схемы и наз ы вается импедансом. Сдвиг ф аз ϕ меж ду током и напр я ж ением на вектор ной диагр аммеопр еделя ется отнош ением катетов I0 (ωL – 1/ωC) и I0R, т.е. ωL − 1 / ωC tgϕ = . R 2

2

ωL

U0L= R

UR U0

U

C

E

UC

_ ω L 1/ω

ϕ L

U0R=

UL /ω

a

б Рис.4

R

6

5. Резонанснапр я ж ений. Пр и последовательном соединении L и C (р ис.4а) сдвиг ф аз ϕ меж ду током и напр я ж ением мож ет бы ть р авен нулю. Т акое я вление наз ы вается р езонансом напр я ж ений. Пр оя вля ется р езонанс в р езком воз р астании тока (р ис.5а), огр аничиваемы м только величиной активного сопр отивления . О бъя сня ется это тем, что пр и достиж ении некотор ой частоты ω0, наз ы ваемой р езонансной частотой, напр я ж ения UL и UC, котор ы е р авны по величине, но сдвинуты по ф аз ена π, полностью компенсир уют др уг др уга (р ис.5б). Частота ω0 опр еделя ется из условия р езонанса ω0L=1/ω0C. Н а р ис.5в показ ана вектор ная диагр амма для идеального случая пр и нулевом активном сопр отивлении. В р еальном случае пр и R≠ 0 полная компенсация напр я ж ений не достигается (р ис.5г). IL

t ω

ω

a

г

б

Рис.5 6. Резонанстоков. Пр и пар аллельном соединении L и C (р ис.6а) напр я ж ения UL и UC одинаковы , а колебания токов IL и IC пр отивоф аз ны (р ис.6б). Н а частотеω0, опр еделя емой условием р езонанса ω0L=1/ω0C, мож ет наблюдаться р езонанс токов, котор ы й пр оя вля ется в р езком уменьш ении тока (р ис.6в), огр аничиваемы м величиной активного сопр отивления индуктивности Rа, котор оена р ис.6а показ ано пунктир ом. В идеальном случаепр и RА =0 токи I0L и I0C могут полностью компенсир овать др уг др уга (р ис.6в). В р еальны х случая х активное сопр отивление индуктивности Rа всегда отлично от нуля . Поэтому сумма токов I0C и I0L,R немож ет достигатьнулевого з начения (р ис.6г). Пр ичем с увеличением сопр отивления Rа р езонанстоков пр оя вля ется слабее. ,I C L E

t a

ω

ω

I

в

б Рис.6

г

д

7

О писан ие м акета

mA

220

R

V

C

Рис.7

L

Н а р ис.7 из обр аж ен лабор атор ны й макет. М акет питается от сети пер еменного напр я ж ения 220 В , 50 Гц. Н апр я ж ениесети подается на пониж ающ ий тр ансф ор матор . К клеммам на лицевой панели макета от источников тока подведено постоя нноеи пер еменноенапр я ж ение. Н а макетер асполож ены миллиампер метр и вольтметр постоя нного и пер еменного тока, р езистор R, конденсатор C, катуш ка индуктивности L. В качествер егулир уемой емкости пр именен магаз ин конденсатор ов, состоя щ ий из двух декад. Е мкость пер вой декады мож но из меня тьот 5 до 15 мкФ сш агом 1,0 мкФ , емкостьвтор ой декады – от 0 до 1 мкФ сш агом 0,1 мкФ . Н а вы ходемагаз ина емкости обеих декад склады ваются . У пражн ен ие 1. И з мер ениеактивного сопр отивления R. Собр ать схему р ис.8. В ключить источник постоя нного тока и из мер ить ток и напр я ж ение. В еличину R вы числитьпо з акону О ма R= U=/I=.Результаты з анести в таблицу 1. У пражн ен ие 2. О пр еделение активного Ra и р еактивного XL сопр отивлений, индуктивности L катуш ки индуктивности. мА

мА

мА

Rа E

R V

E

V

E L

Рис.8

Рис.9

V

C Рис.10

Собр ать схему р ис.9. Пр и включенном источникепостоя нного тока из мер итьток и напр я ж ение. А ктивноесопр отивлениеRa катуш ки индуктивности (на р ис.9 показ ано пунктир ом) вы числить по ф ор мулеRа=U= /I=. И з мер ения повто-

8

р ить на пер еменом токеи вы числитьполноесопр отивлениекатуш ки индуктивности Z = U≈ /I≈ . Зная Ra и Z, вы числить величину индуктивного сопр отивления X L = Z 2 − Ra2 . И ндуктивностьвы числитьпо ф ор мулеL= XL /2πf, где f = 50 Гц – частота напр я ж ения гор одской электр осети. Результаты з анести в таблицу 1. У пражн ен ие 3. О пр еделениеемкостного сопр отивления XС конденсатор а. Собр ать схему р ис.10. И з мер ив пер еменны еток и напр я ж ение, опр еделить емкостное сопр отивление XС =U≈ /I≈ . В еличину емкости вы числить по ф ор мулеС=1 / 2πfXС . Результаты з анести в таблицу 1. У пражн ен ие 4. Пр овер ка обобщ енного з акона О ма. Собр ать схему р ис.11. И з мер ив ток и напр я ж ение, вы числить величину полного сопр отивления цепи Zиз м =U≈ /I≈ . И спольз уя р езультаты пр еды дущ их упр аж нений, вы числитьвеличину полного сопр отивления цепи по ф ор муле 2 2 Zвы ч = ( R + Ra ) + (ωL − 1 / ωC ) . Результаты з анести в таблицу 1.

мА

R

Rа

L C мА

E

V

E

Rа

L

C

Рис.12

Рис.11

У пражн ен ие 5. Резонаснапр я ж ений. В пр еды дущ ей схеме(р ис.11) в качествер егулир уемой емкости включить магаз ин конденсатор ов. В ольтметр мож но отключить. Сня ть з ависимость тока от величины емкости, из меня я емкость от от 5 до 15 мкФ сш агом Δ С=1,0 мкФ . В области экстр емума тока для более точного опр еделения полож ения экстр емума из меня ть емкость с ш агом Δ С=0,1 мкФ , использ уя втор ую декаду магаз ина конденсатор ов. Постр оить гр аф ик з ависимости I=f (C). По гр аф ику опр еделить з начение емкости С0, пр и котор ом ток пр инимает экстр емальное з начение. И спольз уя условиер езонанса, вы числить индуктивность по ф ор муле Lвы ч=

1 . 4π f 2 C 2

Результаты з анести в таблицу 2. У пражн ен ие 6. Резонанстоков. Собр ать схему р ис.12. В качествер егулир уемой емкости С использ овать магаз ин конденсатор ов. Повтор ить з адание упр аж нения 5. Постр оить гр аф ик з ависимости I=f (C) для р езонанса токов. Результаты з анести в таблицу 2.

9

Т а б ли ц а 1 I= мA У пр . 1 У пр . 2 У пр . 3 У пр . 4

I≈ мA

U= В –

U≈ В –

R О м

Rа О м –

ХL О м –

L Гн –

–

–

–

– – –

Т а б ли ц а 2 Резонанс С, мкФ напр я ж ений I, мA Резонанс С, мкФ токов I, мA

– –

–

ХC C О м мкФ – – – – –

Zиз м Zвы ч О м О м – –

–

С0

Lвы ч

С0

Lвы ч

Реком ен даци при подготовке отчета оработе О тчет долж ен содер ж ать: 1. К р аткиесведения о цепя х пер еменного тока. 2. Электр ическиесхемы всех упр аж нений. 3. Результаты упр аж нений 1, 2, 3 и 4, з анесенны ев таблицу 1. 4. Результаты упр аж нений 4 и 5, з анесенны ев таблицу 2. 5. Пр имер ы вы числений сопр отивления R в упр аж нении 1, индуктивности L в упр аж нения х 2, 5 и 6, емкости C в упр аж нении 3. 6. В ектор ную диагр амму, постр оенную по р езультатам упр аж нения 4. 7. Гр аф ик з ависимости I=f (C), отр аж ающ ий р езонаснапр я ж ений, постр оенны й по р езультатам упр аж нения 4. 8. Гр аф ик з ависимости I=f (C), отр аж ающ ий р езонастоков, постр оенны й по р ез ультатам упр аж нения 5. 9. К р аткиевы воды по р аботе. К он трол ь н ые вопросы 1. К ваз истационар ны етоки. У словиекваз истационар ности. Почему з акон О ма и пр авила К ир хгоф а непр именимы для цепей пер еменного тока, когда невы полня ется условиекваз истационар ности? 2. О сновны е пар аметр ы пер еменного тока – частота, ф аз а, начальная ф аз а, пер иод, амплитудны еи мгновенны ез начения токов и напр я ж ений. 3. Поня тие активного и р еактивного сопр отивлений. Полное сопр отивление (импеданс) для участков цепи с активны м и индуктивны м сопр отивления ми, активны м и емкостны м сопр отивления ми, с активны м, индуктивны м и емкостны м сопр отивления ми. 4. Сдвиг ф аз меж ду током и напр я ж ением в цепя х с активны м, индуктивны м и емкостны м сопр отивлением.

10

5. Поня тие о методе вектор ны х диагр амм. В ектор ны е диагр аммы для р аз личны х цепей сактивны м, емкостны м и индуктивны м сопр отивления ми. 6. Закон О ма для пер еменного тока. К акиер езультаты подтвер ж дают з акон О ма в данной р аботе? 7. Резонанс напр я ж ений. У словиер езонанса. В ид вектор ны х диагр амм в идеальном и р еальном случая х пр и р езонансенапр я ж ений. 8. Резонанс токов. У словиер езонанса. В ид вектор ны х диагр амм в идеальном и р еальном случая х пр и р езонансетоков. 9. Пр актическоепр именениер езонанса напр я ж ений и р езонанса токов в электр отехнике. Л итература 1. К алаш ников С. Г. Электр ичество / С. Г. К алаш ников. – М ., 2004. – С. 290 – 293; 507 – 517. 2. Сивухин Д . В . О бщ ий кур с ф из ики: в 3–х т. / Д . В . Сивухин. – М ., 2004. Т .3: Электр ичество. – С. 540 – 560.

Лабор атор ная р абота № 15 И З У Ч Е НИ Е П О Л У П РО ВО ДНИ К О ВЫ Х ВЫ П РЯ М И Т Е Л Е Й Ц ел ь работы: оз накомиться с пр инципом р аботы полупр оводникового диода и р аз личны ми схемами вы пр я мителей на полупр оводниковы х диодах, научиться собир ать пр остейш иеэлектр ическиесхемы и пр овер я ть их р аботоспособность, наблюдая ф ор му электр ического сигнала пр и помощ и осциллогр аф а. В ы пр я мители – это устр ойства, пр еобр аз ующ ие пер еменны й ток в постоя нны й. В ентильны ми свойствами пр опускатьток одного напр авления и не пр опусать ток др угого напр авления обладают вакуумны едиоды (кенотр оны ) и полупр оводниковы е диоды . Полупр оводниковы е диоды имеют целы й р я д пр еимущ еств по ср авнению с вакуумны ми диодами. В них нет накаливаемого катода. О ни менеехр упки, а следовательно, болеебезопасны , чем вакуумны е диоды , вы полненны е в стекля нном кор пусе. Полупр оводниковы е диоды обладают исключительно вы сокой надеж ностью. Пр и пр авильной эксплуатации ср ок их служ бы пр актически неогр аничен, в то вр емя как в кенотр онах, в р езультате вы сокой темпер атур ы катода, эмиссионны е свойства катода ухудш аются (катод из наш ивается ). Н емаловаж ны м достоинством полупр оводниковы х диодов я вля ется воз мож ность их из готовления в микр оминиатюр ном исполнении.

11

О сновны м элементом полупр оводниковы х диодов я вля ется электр онноды р очны й или p-n пер еход, обр аз уемы й в тонком слое на гр анице двух полупр оводников ср аз личны ми типами пр оводимости – электр онного (n-тип) и ды р очного (р -тип). В n-полупр оводникеосновны ми носителя ми тока я вля ются свободны е отр ицательно (negative) з ар я ж енны е электр оны , концентр ация котор ы х nn многокр атно пр евы ш ает концентр ацию pn неосновны х носителей – ды р ок (р ис.1б). В р -полупр оводнике основны ми носителя ми тока я вля ются полож ительно (positive) з ар я ж енны еды р ки, концентр ация котор ы х р р во много р аз пр евы ш ает концентр ацию неосновны х носителей nр . Электр оны в р -области я вля ются неосновны ми носителя ми. Пр и контакте n и р полупр оводников электр оны из n-области будут пер еходить в р -область, а ды р ки из р - в nобласть. Подобны й пр оцесс, наблюдаемы й в двух сообщ ающ ихся сосудах, з аполненны х двумя р аз личны ми газ ами, в р езультате диф ф уз ии долж ен з акончиться вы р авниванием концентр аций обоих газ ов по всему объем у сообщ ающ ихся сосудов. О днако в отличие от обы чны х электр ически нейтр альны х газ ов, электр онны й и ды р очны й газ ы имеют з ар я ды пр отивополож ной поля р ности. С уходом электр она из n-области, в ней остается иониз ир ованны й атом донор ной пр имеси, котор ы й пр едставля ет неподвиж ны й (неучавствующ ий в пер еносетока) полож ительны й з ар я д. А налогично суходом ды р ки в р -области остается неподвиж ны й отр ицательно иониз ир ованны й атом акцептор ной пр имеси. Пр и вз аимодействии электр оны и ды р ки р екомбинир уют (исчезают) и в области p-n пер ехода воз никает электр ическое поле Е 0, обр аз уемое неподвиж ны ми иониз ир ованны ми донор ами и акцептор ами (р ис. 1а). Это полев области p-n пер ехода, обедненной носителя ми (р ис. 1б), соз дает потенциальны й бар ьер (р ис.1в), пр епя тствующ ий дальнейш ему пер еходу электр онов и ды р ок. У станавливается р авновесноесостоя ние, пр и котор ом объемны еобласти, р асполож енны епо р аз ны естор оны p-n пер ехода, имеют р аз личны еэлектр ическиепотенциалы . Потенциал р -области оказ ы вается ниж епотенцила n-области (р ис. 1в). Т .к. область p-n пер ехода обеднена носителя ми, ееудельноеэлектр ическое сопр отивление многокр атно (в деся тки, сотни ты ся ч р аз ) пр евы ш ает удельны е сопр отивления объемны х областей диода (р ис. 1г). Поэтому сопр отивление диода в целом пр актически опр еделя ется сопр отивлением тонкого слоя p-n пер ехода. Пр и подключении к полупр оводниковому диоду внеш него электр ического напр я ж ения (р ис.2а и 3а), областьp-n пер ехода, в з ависимости от поля р ности этого напр я ж ения , будет р асш ир я ться или суж аться . О чевидно, с р асш ир ением области p-n пер ехода сопр отивлениедиода в целом будет увеличиваться . Д иод з акр ы вается , пр епя тствуя пр охож дению тока. Суж ение области вы сокого сопр отивления пр иводит к уменьш ению сопр отивления диода и дио откр ы вается . Т аким обр аз ом, вентильны есвойства полупр оводникового диода объя сня ются наличием p-n пер ехода, от сопр отивления котор ого з ависит величина тока, пр опускаемого диодом.

12

Е

о

Распр еделениеконцентр аций носителей тока в полупр оводниковом диоде

+ +

р

- подвиж ны й электр он

n

- подвиж ная ды р ка

+

- иониз ир ованны й акцептор

+

а

p

рр

+

n

- иониз ир ованны й донор

nn Распр еделениеконцентр аций носителей тока в полупр оводниковом диоде

р

n

nр

р

б

р p - концентр ация np - концентр ация nn - концентр ация р n - концентр ация

ды р окв р -области электр онов в р -области электр онов в n-области ды р окв n-области

n

V 4

Распр еделениеэлектр ического потенциала в полупр оводниковом диоде

1 2

1 - пр и нулевом внеш нем напр я ж ении 2 - пр и пр я мом напр я ж ении на диоде бар ьер уменьш ается 3 - у откр ы тогодиода бар ьер исчезает 4 - пр и обр атном напр я ж ении на диоде бар ьер увеличивается

3 р

n

в

р

Распр еделениеудельного сопр отивления в полупр оводниковом диоде

n

1 - пр и нулевом напр я ж ении на диоде 2 - пр и пр я мом напр я ж ении область вы сокого сопр отивления суж ается 3 - у откр ы тогодиода 4 - пр и обр атном напр я ж ении область вы сокого сопр отивления р асш ир я тся

4 1

2

3

г Рис.1

13

Рассмотр им диод пр и подачена него пр я мого и обр атного внеш него напр я ж ения . Пр я мы м напр я ж ением наз ы вают такоенапр я ж ение, пр и котор ом к р области пр илож ен полож ительны й потенциал, а к n-области – отр ицательны й (р ис. 2а). Пр и обр атном напр я ж ении р -область находится под отр ицательны м потенциалом, а n-областьпод полож ительны м (р ис. 3а). Пр и пр я мом напр я ж ении поле Е вн, соз даваемое внеш ним источником, имеет напр авление, пр отивополож ное внутр еннему полю Е о. Это пр иводит к пониж ению потенциального бар ьер а (р ис. 1в), суж ению области p-n пер ехода и уменьш ению сопр отивления диода (р ис. 2б). С увеличением пр я мого напр я ж ения в неш нееполеЕ вн полностью компенсир ует внутр еннееполеЕ о, бар ьер исчезает и сопр отивлениедиода пр актически падает до нуля . Н а р ис. 2в показ ана з ависимостьпр я мого тока от величины пр я мого напр я ж ения Iпр (Uпр ). Пр и обр атном напр я ж ении поля Е вн и Е о склады ваются (р ис. 3а), потенциальны й бар ьер увеличивается (р ис. 1в), область p-n пер ехода с вы соким удельны м сопр отивлением р асш ир я ется и сопр отивлениедиода воз р астает (р ис. 2б). Д иод з акр ы вается . Н а р ис. 3в показ ана з ависимостьобр атного тока от величины обр атного напр я ж ения Iобр (Uобр ). Д ля удобства пр я мую Iпр (Uпр ) и обр атную Iобр (Uобр ) з ависимости объединя ют в единую, так наз ы ваемую вольт-ампер ную хар актер истику диода, вид котор ой показ ан на р ис. 4. Т аким обр аз ом, пр и пр я мом напр я ж ении диод откр ы т и величина тока чер ез диод опр еделя ется в основном сопр отивлением нагр уз ки Rн, включаемой последовательно с диодом. Пр и обр атном напр я ж ении диод з акр ы т, его сопр отивлениевелико и ток чер ез нагр уз ку пр актически неидет. Е сли к последовательно соединенны м полупр оводниковому диоду и р езистор у подключить источник пер еменного напр я ж ения синусоидальной ф ор мы (р ис. 5а), то в течение одного полупер иода, когда диод откр ы т, напр я ж ениена р езистор ебудет повтор я ть напр я ж ениеисточника Uвх. В следующ ий полупер иод диод з акр ы т и напр я ж ениена р езистор еUвы х будет р авно нулю (р ис. 5б). Т ак р аботает однополупер иодны й вы пр я митель, напр я ж ение на вы ходе котор ого будет пульсир ующ им. В больш инствепр актических случаев тр ебуется стабильноепостоя нное напр я ж ениебез пульсаций. Д ля сглаж ивания пульсаций использ уются р аз личного р ода стабилиз атор ы постоя нного напр я ж ения . В пр остейш ем случаер оль сглаж ивающ его элемента мож ет вы полня тьконденсатор (р ис. 6а). Пр и увеличении пр я мого напр я ж ения диод откр ы вается , его сопр отивлениеуменьш ается , и напр я ж ениеUвы х на р езистор еRн и конденсатор еС будет повтор я тьнапр я ж ение Uвх. С уменьш ением входного напр я ж ения , напр я ж ениена р езистор еRн поддер ж ивается напр я ж ением з ар я ж енного конденсатор а и неуспевает следоватьз а уменьш ением напр я ж ения на входевы пр я мителя . К онденсатор пр одолж ает р аз р я ж аться чер ез р езистор Rн в течение следующ его полупер иода, когда диод полностью з акр ы т. В р емя р аз р я да конденсатор а опр еделя ется вр емененем р елаксации τ=RнС. Поэтому, чем больш еемкость сглаж ивающ его конденсатор а, тем меньш епульсации вы пр я мленного напр я ж ения на вы ходевы пр я мителя .

14

Е вн

Ео

р

n

Ео

Е вн

Полупр оводниковы й диод пр и пр я мом напр я ж ении

р

n

Полупр оводниковы й диод пр и обр атном напр я ж ении

а

а б

Распр еделениесопр отивления в диоде 1- пр и нулевом напр я ж ении 2 - пр и пр я мом напр я ж ении

1 2

Iпр

Зависимостьпр я мого тока диода от пр я мого напр я ж ения

в Uпр

б

1 2

Iобр

Зависимостьобр атного тока диода от обр атного напр я ж ения

в

Рис.2

I пр 1

Uобр

Рис.3

В ольт- ампер ная хар актер истика полупр оводникового диода 1 - идеального диода 2 - р еального диода

2

Uобр Iобр

Распр еделениесопр отивления в диоде 1- пр и нулевом напр я ж ении 2 - пр и обр атном напр я ж ении

Uпр

Рис.4 С

Uвх

Rн

Uвх

Uвы х

Rн

а - однополупер иодны й вы пр я мительссглаж ивающ им конденсатор ом

а - однополупер иодны й вы пр я мительсодним диодом

U

U Uвы х

Uвы х t

t

Uвх

Uвх б - ф ор ма напр я ж ения без сглаж ивания пульсаций

Рис.5

Uвы х

б - влия ниеконденсатор а на ф ор му вы пр я мленного напр я ж ения

Рис.6

15

О сновны ми пар аметр ами полупр оводниковы х диодов я вля ются величины Iпр , Iобр , Uпр и Uобр . О ни р аз личны для р аз личны х типов и видов диодов. Пр и пр евы ш ении допускаемого пр я мого тока Iпр для конкр етного диода диод пер егр евается и вы ходит из стр оя . Пр и пр евы ш ении допускаемого обр атного напр я ж ения Uобр мож ет наступитьэлектр ический пр обой, что такж епр иводит кр аз р уш ению диода. Д р угими пар аметр ами диодов я вля ются – пр едельная темпер атур а и частотны й интер вал эксплуатации диода, габар иты и пр . О писан ие м акета. Н а р ис.7 из обр аж ен лабор атор ны й макет. М акет питается от сети пер еменного напр я ж ения 220 В . Н апр я ж ениесети подается на пониж ающ ий тр ансф ор матор Тр, втор ичная обмотка котор ого имеет отвод от ср едней точки. Н а макетер асполож ены 4 диода – Д 1, Д 2, Д 3, Д 4. В о всех упр аж нения х использ уется в качествесопр отивления нагр уз ки р езистор Rн, величина котор ого подобр ана так, что Rпр <
ЭО Y вы кл

Тр

Д

1

Д

2

Д

3

Д

4

Rн

X

К

Рис.7

У пражн ен ие 1. В из уальноенаблюдениеф ор мы сигнала на вы ходепониж ающ его тр ансф ор матор а. 1. Собр ать схему р ис.8, подключив р езистор Rн к вы водам В втор ичной обмотки тр ансф ор Rн 220 матор а Тр (клеммы А и В). X Y Подключить р езистор Rн к А входу вер тикального отклонения луча осциллогр аф а “ Y”. Рис.8 2. В ключить макет и осциллогр аф . 3. Пр и включенном генер атор ер аз вер тки осциллогр аф а наблюдатьф ор му пер еменного тока чер ез р езистор Rн. Регулир уя усилениесигнала по вер тикали осциллогр аф а, добиться полного отклонения луча на экр ане. Регулир уя частоту р аз вер тки, получитьиз обр аж ение2–3 пер иодов пер еменного тока. 4. Зар исоватьосциллогр амму.

16

У пражн ен ие 2. В из уальноенаблюдениевольт-ампер ной хар актер истики полупр оводникового диода. 1.О тключитьмакет от сети, невы ключая осциллогр аф . 2. В схемепр еды дущ его упр аж нения в р аз р ы в меж ду р езистор ом Rн и клеммой А включить любой из 4х диодов (р ис.9). К лемму А соединить с входом “ Х ” гор из онтального отклонения луча осциллогр аф а. 3. В ключить макет в сеть и, вы ключив генер атор р аз вер тки, наблюдать осциллогр амму Rн 220 вольт-ампер ной хар актер иX Y А стики полупр оводникового диода. Рис.9 4. Зар исовать осциллогр амму. Подумайте, почему осциллогр амма вольт-ампер ной хар актер истики отличается от вида хар актер истики, из обр аж енной на р ис.4. У пражн ен ие 3. О днополупер иодны й вы пр я митель. 1. Н евы ключая осциллогр аф и макет, в схемепр еды дущ его упр аж нения (р ис.9) включить р аз вер тку осциллогр аф а (пр овод меж ду клеммой А и входом “ Х ” мож но убр ать). 2. Н а экр анеосциллогр аф а получить из обр аж ениесигнала, отр аж ающ его вр еменную з ависимостьнапр я ж ения на вы ходеоднополупер иодного вы пр я мителя . 3. Зар исоватьосциллогр амму. У пражн ен ие 4. Сглаж иваниепульсаций вы пр я мленного напр я ж ения пр и однополупер иодном вы пр я млении. 1. О тключитьмакет от сети, невы ключая осциллогр аф . 2. В схемепр еды дущ его упр аж нения к р езистор у Rн подключитьблокконденсатор ов, какпоказ ано на р ис.10.

220

Rн К

Y

X

Рис.10 3. В ключитьмакет в сеть. 4. Поставить пер еключатель К в кр айнеелевоеполож ение(конденсатор ы отключены ) и воспр оиз вести осциллогр амму пр еды дущ его упр аж нения . 5. Последовательно увеличивая емкость сглаж ивающ его конденсатор а пер еключателем К , наблюдатьуменьш ениепульсаций вы пр я мленного тока. 6. Зар исовать семейство осциллогр амм вы пр я мленного напр я ж ения с р аз личны ми ур овня ми пульсаций.

17

У пражн ен ие 5. Д вухполупер иодны й вы пр я мительсо ср едней точкой. 1. О тключитьмакет от сети, невы ключая осциллогр аф . 2. Собр атьсхему р ис.11. 3. В ключить макет в сеть и наблюдать ф ор му сигнала на Rн вы ходе двухполупер иодного 220 вы пр я мителя со ср едней точY кой. 4. Зар исовать осциллогр амму.

X

Рис.11

У пражн ен ие 6. М остовой двухполупер иодны й вы пр я митель. 1. О тключитьмакет от сети, невы ключая осциллогр аф . 2. Собр атьмостовую схему вы пр я мления , показ анную на р ис.12. 3. В ключитьмакет в сетьи наблюдать ф ор му сигнала на вы ходедвухполупер иодного мостового вы пр я мителя . 4. Зар исовать осциллогр амму. Ср авнитенапр я ж ениена вы ходемостового вы пр я мителя снапр я ж ением, наблюдаемы м в пр еды дущ ем упр аж нении.

220

Rн

Y

X

Рис.12 У пражн ен ие 7. Сглаж иваниепульсаций вы пр я мленного напр я ж ения пр и двухполупер иодном вы пр я млении. 1. О тключитьмакет от сети, невы ключая осциллогр аф . 2. В схемепр еды дущ его упр аж нения к р езистор у Rн подключитьблокконденсатор ов, какпоказ ано на р ис. 13.

220

Rн

К

Y

X

Рис.13 3. В ключитьмакет в сеть. 4. Поставитьпер еключательК в кр айнеелевоеполож ение(конденсатор ы отлючены ) и воспр оиз вести осциллогр амму пр еды дущ его упр аж нения .

18

5. Последовательно увеличивая емкость сглаж ивающ его конденсатор а пер еключателем К , наблюдатьуменьш ениепульсаций вы пр я мленного тока. 6. Зар исовать семейство осциллогр амм вы пр я мленного напр я ж ения на р езистор еRн ср аз личны ми ур овня ми пульсаций. Реком ен даци при подготовке отчета оработе О тчет долж ен содер ж ать: 1. К р аткиесведения о полупр оводниковом диоде, пр инципеего р аботы . 2. Электр ическиесхемы всех упр аж нений. 3. И з обр аж ения осциллогр амм всех упр аж нений, вы полненны ев относительном масш табе. 4. К р аткиевы воды по р аботе, вкючающ иесопоставлениер аз личны х схем вы пр я мления , их достоинства и огр аничения . К он трол ь н ые вопросы 1. Н аз начение вы пр я мителей. Ср авнение полупр оводниковы х и вакуумны х диодов. 2. Пр инцип р аботы полупр оводниковы х диодов. Электр онно-ды р очны й пер еход, пр ир ода его обр аз ования . Распр еделение потенциала, сопр отивления , концентр аций носителей тока вдоль p-n пер ехода пр и пр я мом и обр атном напр я ж ении на диоде. 3. О сновны епар аметр ы полупр оводниковы х диодов. 4. В ольт-ампер ная хар актер истика полупр оводникового диода, методика ееосциллогр аф ир ования . 5. О сновны есхемы вы пр я мления – однополупер иодны й вы пр я митель, двухполупер иодны й вы пр я мительсо ср едней точкой, двухполупер иодны й мостовой вы пр я митель. И х достоинства и огр аничения . 6. Рольконденсатор а пр и сглаж ивании пульсаций вы пр я мленного тока. Л итература 2. К алаш ников С. Г. Электр ичество / С. Г. К алаш ников. – М ., 2004. – С. 348 – 359; 473 – 582. 3. Сивухин Д . В . О бщ ий кур сф из ики: в 3–х т. / Д . В . Сивухин. – М ., 2004. – Т .3: Электр ичество. – С. 466 – 469.

19

Составители:

А лейников Н иколай М ихайлович, А лейников А лексей Н иколаевич

Редактор Т ихомир ова О .А .