Как сделать вольт амперную характеристику на компьютере

Обновлено: 02.07.2024

Как пользоваться характеристиками (ВАХ) ламп.

Диоды и кенотроны.

На форумах часто задают вопрос о величине падения напряжения на кенотроне выпрямителя. Ответ очень легко получить из характеристик конкретной лампы. В качестве примера рассмотрим схему, применяемую во многих гитарных усилителях (Рис.1).

На этой схеме для лучшего понимания ее работы, в качестве эквивалента кенотрону изображены диоды. В реальной конструкции они не стоят.

Как видно из схемы, для получения анодного напряжения U₀ , при потребляемом анодном токе усилителем I₀ _, через каждую из половин кенотрона протекает половина тока нагрузки I₀/2 . В схеме Fender champ 5f1 , сделанной на отечественных лампах 6Н2П и 6П14П, анодные токи в рабочих точках будут, соответственно, равны 2 * 1,5 = 3 мА для 6Н2П и 48 мА для 6П14П. Что в сумме будет равно I₀ = 3 + 48 = 51мА. Через половину кенотрона будет протекать ток I₀/2 = 51 / 2 = 25.5 mA .

Рассмотрим характеристики кенотрона 5Ц4С [1] (см. Рис.2):

ВАХ кенотрона или диода представляет собой простую зависимость анодного тока от напряжения анод-катод, из которой легко определить, какой ток будет протекать через лампу при определённом напряжении анода или какое напряжение будет на участке анод-катод при протекании определённого анодного тока. В нашем случае при протекании анодного тока через половину кенотрона в 25.5 мА, на участке анод-катод будет напряжение 5.6 В. Т.е. на кенотроне упадёт 5.6 В.

Точку пересечения анодного тока и анодного напряжения называют рабочей точкой.

Следует отметить, что ток в рабочей точке лампы, это ток покоя, т.е. ток в отсутствие сигнала. В процессе работы усилителя ток анода будет увеличиваться и уменьшаться относительно этого тока, поэтому этот ток также называют средним током.

Триод и лампы с большим количеством сеток позволяют управлять током анода изменением потенциала на управляющей сетке. Чем больше положительный потенциал на управляющей сетке, тем больше анодный ток. Участок: управляющая сетка-катод любой лампы подобен диоду, т.е. обладает нелинейным сопротивлением. При положительном напряжении сетки это сопротивление такого же порядка, как и внутреннее сопротивление диода, примерно до 1кОм. А при отрицательном напряжении оно стремится к бесконечности. Т.е. при отсутствии напряжения на управляющей сетке ( Uc1 = 0) источник входного синусоидального сигнала во время отрицательного полупериода работает фактически без нагрузки , т.е. "вхолостую", а во время положительного полупериода наоборот, на очень низкое сопротивление, гораздо меньшее по величине, чем внутреннее сопротивление источника сигнала. Результатом будет фактическое отсутствие в выходном сигнале одного полупериода. Напряжение на управляющей сетке будет искажено, и искажения появятся в выходном сигнале. (см. Рис.3) [ 2 ] Кроме того при положительном напряжении на управляющей сетке часть электронов, движущихся к аноду притягиваются к ней, что приводит к появлению сеточного тока.

Если на управляющую сетку лампы подать отрицательное напряжение меньшее, чем напряжение запирания лампы и превышающее амплитуду входного напряжения, то источник входного сигнала в течение обоих его полупериодов будет работать "вхолостую", т.е.на очень высокое сопротивление, стремящееся к бесконечности. В этом случае сигнал на управляющей сетке лампы и на её аноде будет иметь гораздо меньшие искажения. Отрицательное напряжение, подаваемое на управляющую сетку, называют напряжением смещения . Для усилительного каскада, работающего без токов управляющей сетки, напряжение смещения выбирается таким, чтобы его не превышала амплитуда входного сигнала Um .

Несколько слов о резисторе в цепи управляющей сетки (Rc). (см. Рис.4) Через этот резистор, имеющий сопротивление от сотен килоом до единиц мегом, подаётся напряжение смещения от отдельного источника. Такой способ подачи напряжения смещения называют фиксированным смещением.

Этот резистор служит также для того, чтобы на сетке не накопилось большое количество электронов. Если Rc отсутствует, то цепь сетки разомкнута для постоянного тока (изолирована от остальной схемы). Тогда попадающие на сетку электроны могут постепенно зарядить её до такого отрицательного потенциала относительно катода, что лампа запрётся. Через Rc отрицательный заряд сетки стекает в виде небольшого тока и накопление заряда не происходит. Поэтому этот резистор называют резистором утечки тока сетки.

Резистор Rc должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник сигнала. Но его чрезмерное увеличение может привести к тому, что при поступлении на сетку большого положительного импульса (например, от внешней помехи), сетка притянет большое количество электронов. На ней получится значительный отрицательный заряд, который может запереть лампу. И, после прекращения действия импульса, лампа будет долго находиться в запертом состоянии.

Применение отдельного источника для подачи напряжения смещения оправдано только для мощных оконечных каскадов, работающих в классах звукоусиления "АВ" и "В". Для однотактного каскада предварительного усиления, работающего только в классе "А" , применение такого источника экономически неоправдано. Поэтому применяется схема автоматического смещения (см.Рис.5).

В этой схеме при протекании анодного тока возникает падение напряжения на катодном резисторе Rk , которое плюсом приложено к катоду и через резистор утечки минусом прикладывается к управляющей сетке, что делает потенциал сетки отрицательным по отношению к катоду на величину падения напряжения на Rk .

На рис.6 изображены статические характеристики для половинки триода 6Н3П при работе на постоянном токе и без нагрузки. Для простоты их называют просто характеристиками или ВАХ (вольт-амперными характеристиками).

Как видим, это зависимость анодного тока от анодного напряжения при разных напряжениях управляющей сетки. Поэтому, такую характеристику ещё называют семейством характеристик . Для определения режима работы усилительного каскада на триоде необходимо построить нагрузочную прямую или рабочую характеристику (Ещё её называют "динамической" или "нагрузочной"). Для её построения необходимо соблюсти несколько условий:

1). Амплитуда входного напряжения не должна превышать напряжение выбранной рабочей точки;

2). Рабочая характеристика не должна пересекать линию предельно-допустимой мощности рассеяния анодом;

3). Рабочая характеристика не должна находиться в области сильного искривления линий статической характеристики (на Рис.6 линии, расположенные ниже анодного тока 1 мА).

Рабочая характеристика строится по двум точкам:

1). Напряжение питания каскада (Еа);

2). Сопротивление в цепи анода ( Ra) . (См. Рис.7).

Сопротивление в цепи анода ( Ra) для триода выбирается величиной, равной Ra = (2-4) * Ri , т.е. в два - четыре раза, превышающем внутреннее сопротивление лампы, которое можно взять из справочников. На рис.6 построена характеристика путём соединения прямой линией точки напряжения питания каскада Еа и анодного тока, определяемого, как:

Где "К" - коэффициент усиления каскада.

Возьмём ВАХ часто используемой лампы 6Н2П при напряжении питания E_a = 300 В и Ra = 100 кОм (см. Рис.8) [ 3 ] :

Чтобы построить нагрузочную характеристику необходимо определить анодный ток:

Для выбора рабочей точки рабочая характеристика строится в сеточной системе координат (рисунок справа) путём переноса координат точек, пересекаемых нагрузочной характеристикой. Рабочая точка выбирается на середине прямолинейного участка, полученной характеристики. Это важно для Hi-Fi и Hi-End аппаратуры, для гитарного усиления выбор рабочей точки может быть сделан и в другой точке для получения требуемого уровня искажений. Из построения на Рис. 8 получим U_c0 = -1 В, Ua₀ = 155 В, Ia₀ = 1 ,4 mA . Определим сопротивление катодного резистора для получения заданного смещения:

Возьмём стандартное значение 680 Ом.

В гитарном усилении обычно требуется получить максимальное усиление каскада. Для этого необходимо получить максимальный размах амплитуды анодного напряжения, но не допустить работы в области сильного искривления линий ВАХ, чтобы не получить "транзисторного" звучания.

Допустим, мы хотим применить в первом каскаде лампу 6Н5П. Найти схему её применения в УНЧ проблематично, однако с помощью её ВАХ очень легко выбрать режим работы. Рассмотрим её семейство анодных характеристик (см. Рис. 9):

Как видим, область сильного искривления линий ВАХ находится ниже линии анодного тока 2 мА. Поэтому, будем выбирать точку для построения и выбора Ra в области токов, превышающих это значение.

Предположим, что с учётом падения напряжения на фильтре питания каскада, напряжение питания Еа = 240 В, максимальная амплитуда входного сигнала 1,5 В.

Выберем анодный ток 8 мА. Для него

Построим нагрузочную характеристику (см. Рис.10):

Выберем напряжение смещения Uc 1 = -2 В, заведомо превышающее амплитуду входного сигнала, и определим, что Ua будет равным 78 В, ток покоя I_a ₀ = 5.5 mA . Катодный резистор для получения заданного смещения будет равен:

Выберем стандартное значение 360 Ом. Можно считать, что каскад рассчитан. Нам остаётся вычислить его коэффициент усиления по напряжению. Для этого достроим недостающие на Рис.10 линии амплитуд анодного напряжения (см. Рис.11).

При максимальном входном сигнале, имеющем амплитуду 2 В, изменяющим напряжение рабочей точки от минус 2 В до 0В и до минус 4 В, анодное напряжение будет изменяться от минимального Uamin = 35 В до максимального Uamax = 117 В. Т.е. при размахе входного напряжения в 4 В, размах выходного напряжения составит Uamax - Uamin и будет получен коэффициент усиления каскада по напряжению

Мы сделали простейший расчёт каскада усиления, достаточный для любительского применения.

Тетрод, Пентод

Практически всё, что было сказано о триоде, справедливо и для пентодов. Отличие ВАХ пентодов от ВАХ триодов состоит в иной форме их линий. И в расчёт добавится учёт влияния экранной сетки.

Пентоды потребляют больший, по сравнению с триодами, анодный ток. Для экономичности аппаратуры их применяют при напряжении экранной сетки меньшем, чем напряжение питания каскада. Ток анода очень сильно зависит от напряжения экранной сетки. Чем оно меньше, тем меньше анодный ток. Самым простым способом для получения пониженного напряжения, является установка в цепь экранной сетки резистора с большим сопротивлением (см. Рис.12)[3]. Основным затруднением расчёта является отсутствие в справочной литературе ВАХ пентодов и тетродов с резисторами в цепи экранной сетки и поэтому в справочной литературе предлагается создание установки для фактической подгонки режимов пентодов или таблицы готовых, уже подобранных, режимов.

Рис.12

Мне удалось частично восполнить этот пробел. Были сняты ВАХ некоторых ламп, имеющихся в наличии:

Например, рассмотрим характеристики лампы 6Ж8:

При напряжении экранной сетки U э = 100 В, максимальный анодный ток лампы будет достигать величины от 9 до 10 мА и ток экранной сетки около 3.5 мА, что намного больше, чем у каскада, выполненного на триоде такой же мощности.

Если необходимый нам каскад усиления будет использоваться при напряжении питания каскада Епит = 250 В, то подавать без ограничивающего резистора такое напряжение на экранную сетку нельзя, т.к. максимально-допустимое напряжение экранной сетки 6Ж8 U эдоп = 140 В. Это приведёт к резкому росту токов анода и экранной сетки, что приведёт к выходу лампы из строя. Для пентодов обычно применяется схема включения, изображённая на Рис.12 с резистором в цепи экранной сетки от 100 кОм до 2 МОм.

Рассчитаем каскад усиления на пентоде 6Ж8 при Епит = Еэ = 250 В и резисторе в цепи экранной сетки 470 кОм (см. Рис.13)

Как видим, максимальный анодный ток составит всего 1,82 мА, а ток экранной сетки настолько мал, что им можно пренебречь.

Основное правило построения нагрузочной прямой в случае применения пентодов (тетродов) является её прохождение через сгиб линии ВАХ для Uc 1 = 0 В. При этом достигается максимальное усиление каскада, а в случае расчёта каскада мощного усиления, ещё и ограничение тока экранной сетки, т.к. при напряжениях анода, находящихся левеее перегиба этой линии ВАХ, токи экранной сетки резко возрастают и могут превысить максимально-допустимое значение.

Для сделанного построения получим:

Епит = 250 В, Uamin = 20 В, напряжение анода в рабочей точке Ua 0 = 103 В, Uamax = 170 В, напряжение смещения Uc 0 = -5 В (может быть и иным, в зависимости от амплитуды (размаха) входного сигнала), ток анода в рабочей точке Ia 0 = 1.07 мА и максимальный анодный ток Iamax = 1.82 мА.

Выберем стандартное значение 130 кОм.

У пентодов для расчёта катодного сопротивления необходимо учитывать и протекающий через него ток экранной сетки. В нашем случае током экранной сетки можно пренебречь, поэтому, подставим в формулу ноль:

Возьмём стандартное значение 4.7 кОм.

Заключение

В данной статье для простоты изложения опущены многие понятия и расчёты, такие, как частотный диапазон каскада, возникновение отрицательной обратной связи при применении катодного резистора, расчёт ёмкости конденсатора, шунтирующего катодное сопротивление по переменному току и конденсатора, шунтирующего экранную сетку, влияние сопротивления утечки следующего каскада на режим усиления, рассмотрен только каскад усиления с т.н. "общим катодом" и пр. Все эти упрощения сделаны для наглядности описания начальной работы с семействами характеристик ламп, чтобы сделать самостоятельный расчёт реально работающего усилительного каскада.

Если в данной статье что-то описано непонятно или необходимо расширение материала, вопросы можно задать на форуме: Ламповая Лаборатория

Список использованной литературы.

1). "Электровакуумные приборы". Справочник под редакцией А.М.Бройде. Государственное энергетическое издательство. 1956 г.

2). МРБ выпуск 647. И.П.Жеребцов "Основы электроники". "Энергия". 1967 г.

Что такое вольт-амперная характеристика, как её построить и зачем она нужна? Для построения ВАХ потребуются источник питания с возможностью регулировки напряжения и тока, вольтметр и миллиамперметр. Я буду использовать самодельный лабораторный блок питания (ЛБП) у которого есть все перечисленные выше функции.

Для начала подключим к ЛБП мощный проволочный резистор сопротивлением 10Om и начнем постепенно увеличивать напряжение.
По оси Х будем откладывать значение напряжения, по оси Y значение тока, который будет протекать через резистор. Получившийся график и будет называться вольт-амперной характеристикой. т.е. он отображает зависимость тока протекающего через наш резистор в зависимости от напряжения которое мы подаем на его выводы. ВАХ резистора выглядит как прямая линия.

Вольт-амперная характеристика резистора сопротивлением 10Om Вольт-амперная характеристика резистора сопротивлением 10Om

Ценность построения такого графика для резистора разумеется нулевая. Ток проходящий через резистор всегда можно рассчитать используя закон Ома I=U/R. Рассчитать две точки:
I(a)= U/R=1V/10Om=0.1A=100mA
I(b)= U/R=2V/10Om=0.2A=200mA
И провести прямую линию - но в природе существуют не только резисторы. Подключим к ЛБП лампу накаливания с номинальным напряжением 6.3V и током 0.3А. Для наглядности отобразим зависимость тока от напряжения на цоколе лампы на том же графике.

Как мы видим ВАХ лампы накаливания далек от прямой линии. Закон Ома тут уже не прокатит - мы не сможем просто померить сопротивление нити накала омметром и рассчитать ток проходящий через лампу. Чем больше ток проходящий через лампу - тем сильнее будет разогреваться нить накала и следовательно обладать большим сопротивлением. Из графика видно даже без расчетов, что при напряжении меньше 0.7V сопротивление лампы было меньше сопротивления резистора и с дальнейшим увеличением напряжения на входе лампы сопротивление разогревающейся нити продолжает возрастать. Такая ВАХ называется нелинейной. Где и для чего это можно использовать? В старинной советской книжке по электронике лампу предлагали использовать как защиту от к/з самодельных блоков питания. Пока нагрузка потребляет маленький ток нить накала лампы холодная, сопротивление минимально и лампа не оказывает значительного влияния на работу всей цепи. Если происходит короткое замыкание лампа вспыхивает, а самодельный блок питания останется не поврежденным. Для ВАХ можно построить и график обратного напряжения, но для резистора и лампы мы получим зеркальную картинку и особого смысла в этом нет.

Рассмотрим еще несколько примеров нелинейной ВАХ.
Построим ВАХ трех индикаторных (5мм) светодиодов красного, зеленого, и белого. Графики будут выглядеть следующим образом.

На обратном участке ВАХ светодиоды работают как обычные диоды - ток через них идет, а вот на прямом все диоды ведут себя по разному. Красный начинает светится от напряжения 1,6V зеленый от напряжения 1.8V, белый от напряжения 2.5V и связано это с тем, что для разного свечения светодиодов используются разные типы полупроводников. Максимальный допустимый рабочий ток в 20mA (при котором светодиод отдает максимум яркости, но не будет происходить деградации кристалла) для красного светодиода обеспечивается напряжением 1.9V, для зеленого 2.4V, для белого 2.8V. Даже незначительное увеличение напряжения чуть выше данных значений приводит к резкому увеличению тока через кристалл - именно поэтому для надежной и долгой работы светодиодов их необходимо питать от источников тока, а не напряжения.
Ну и напоследок классика жанра - обычный выпрямительный диод 1N4007. Обратное напряжение данного диода (при котором происходит необратимый пробой) составляет 1000V - поэтому обратную ветвь ВАХ с помощью ЛБП с максимальным напряжением 24V построить не получится.
Для того, чтобы не сжечь, диод при снятии ВАХ, лучше ограничить максимальный выходной ток ЛБП до 1А (максимальный допустимый ток в прямом направлении для данного диода).

Как видно из картинки ВАХ, диод начинает пропускать ток в прямом направлении от напряжения 0.5V и только при напряжении выше 0.9V ток через диод становится равным 1А - т.е. диод выходит на свой рабочий режим. Это нужно учитывать при постройке выпрямителей - так как 1V данный диод "откушает" в процессе преобразования переменного тока в постоянный (это называется падение напряжения на диоде). А если напряжение будет меньше значения 0.5V то и в прямом направлении данный диод ток пропускать не будет совсем. Теперь вы знаете как построить ВАХ неизвестного электронного прибора и как им пользоваться. Все опыты из данной статьи смотрите в видео:

Ознакомиться с основными фотометрическими величинами; ознакомиться с принципом работы фотометра; проверить выполнение закона Ламберта для источника света

Общие сведения

Полупроводниковые диоды и стабилитроны

Выпрямительные диоды и стабилитроны представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом (p–n-переходом).

Одним из свойств p–n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p–n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении – прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление – это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p–n- перехода, а обратное – когда направления этих электрических полей совпадают. Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p–n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p–n-перехода описывается известным уравнением

где \(I_0\) – обратный ток p–n-перехода; \(q\) – заряд электрона \(q=1,6\cdot 10^\ Кл\); \(k\) – постоянная Больцмана \(k = 1,38⋅10^ Дж\cdot град\); \(T\) – температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости представлено на рис. 1.1.

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную нелинейность, что предопределяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое \(R_\) и динамическое \(R_\). Статическое сопротивление \(R_\), например в точке А (рис. 1.1), определяется как отношение напряжения \(U_A\) и тока \(I_A\), соответствующих этой точке: \(R_ = \frac = tg\)

Динамическое сопротивление определяется как отношение приращений напряжения и тока (рис. 1.1): \(R_ = \frac\);

При малых значениях отклонений \(∆U\) и \(ΔI\) можно пренебречь нелинейностью участка АВ характеристики и считать его гипотенузой прямоугольного треугольника АВС, тогда \(R_ = tgβ\).

Если продолжить линейный участок прямой ветви вольт-амперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку \(U_0\) – напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление \(R_\) сравнительно велико от круто изменяющегося участка, где \(R_\) мало.

При протекании через диод прямого тока полупроводниковая структура нагревается, и если температура превысит при этом предельно допустимое значение, то произойдет разрушение кристаллической решетки полупроводника и диод выйдет из строя. Поэтому величина прямого тока диода ограничивается предельно допустимым значением \(I_\) при заданных условиях охлаждения.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине \(U_\) начнется его быстрое увеличение (рис. 1.2), что говорит о наступлении пробоя p–n-перехода. Существуют несколько видов пробоя p–n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p–n-перехода и температуры:

обратимый (электрический пробой);
необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Поэтому в паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение \(U_\) (напряжение лавинообразования), соответствующее началу пробоя p–n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно \(0,5\ U_\) и определяет класс прибора по напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В обратного напряжения, класс 2 – 200 В и т. д.

В некоторых случаях этот режим пробоя используют для получения круто нарастающего участка ВАХ, когда малому приращению напряжения \(∆U\) соответствует большое изменение тока \(ΔI\) (рис. 1.2). Диоды, работающие в таком режиме, называются стабилитронами, т. к. в рабочем диапазоне при изменении обратного тока от \(i_\) до \(i_\) напряжение на диоде остается почти неизменным, стабильным. Поэтому для стабилитронов рабочим является участок пробоя на обратной ветви ВАХ, а напряжение пробоя (напряжение стабилизации) является одним из основных параметров.

Стабилитроны находят широкое применение в качестве источников опорного напряжения, в стабилизаторах напряжения, в качестве ограничителей напряжения и др.

Эксперимент

Оборудование

Оборудование, используемое в лабораторной работе: вритуальный лабораторный стенд, блок No 1 (схемы А1–А4); комбинированный прибор «Сура», мультиметры; соединительные провода.

Порядок выполнения работы

Изучить схемы включения полупроводниковых приборов А1–А4 (рис. 1.3–1.6) для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ диода и стабилитрона.

Ознакомиться с устройством лабораторного стенда, найти на стенде блок №1 и схемы А1–А4.

Порядок выполнения задания №1 «Исследование полупроводникового диода»

Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ диода \(I_ = f(U_)\) с использованием схемы A1, представленной на рис. 1.3.

Установить напряжение источника питания на 5 В
Выставить значение потенциометра \(R1\) на максимум.
Включить установку
Внимательно изучить схему

Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ диода \(I_ = f(U_)\) с использованием схемы А2, представленной на рис. 1.4.

Установить напряжение блока питания 30 В.
Выставить значение потенциометра \(R2\) на максимум
Внимательно изучить схему установки

По данным табл. 1.1 и 1.2 построить ВАХ диода.

По ВАХ или таблицам определить:

Статическое сопротивление диода в прямом включении \(R_=\frac>>\) при U пр = 0,4 В и U пр = 0,1 В.
Динамическое сопротивление диода в прямом включении \(R_=\frac>>\) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 0,1 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 0,4 В и U пр = 0,45 В ).
Статическое сопротивление диода в обратном включении \(R_=\frac>>\) при U обр = 5 В и U обр = 25 В.
Динамическое сопротивление диода в обратном включении \(R_=\frac>>\) на начальном участке ВАХ ( U пр =0 В и U пр = 5 В ) и на участке насыщения ВАХ ( U пр = 20 В и U пр = 25 В ).

Порядок выполнения задания No2 «Исследование полупроводникового стабилитрона»

Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ стабилитрона \(I_ = f(U_)\) с использованием схемы A3, представленной на рис. 1.5.

Установить напряжение источника питания на 5 В
Выставить значение потенциометра \(R5\) на максимум.
Включить установку
Внимательно изучить схему

Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ стабилитрона \(I_ = f(U_)\) с использованием схемы А4, представленной на рис. 1.6.

Установить напряжение блока питания 30 В.
Выставить значение потенциометра \(R7\) на максимум
Внимательно изучить схему установки

Электрические измерения

Чтобы начать разбираться с темой статьи, необходимо определить: что такое ВАХ, и что собой представляет диод. Итак, ВАХ – это вольтамперная характеристика. По сути, это зависимость тока от напряжения в любом радиоэлемента, куда, кстати, входит и диод. Диод – это полупроводниковый элемент, у которого два выхода и один переход (p-n). Его предназначение – это выпрямление электрических сигналов, хотя сюда можно добавить еще несколько терминов: модуляция, стабилизация, ограничение и так далее. Добавим к информации, что диод может пропускать электрический ток только в одну сторону. Итак, переходим к основной теме – ВАХ диода.

Обычно вольтамперную характеристику обозначают графически, для чего используется стандартная ось координат, которую называют Декартовой. Вертикальная ось называется ординатой и обозначается «y» игреком, вторая абсцисса с обозначением «x» икс. Для обозначения ВАХ по оси ординат откладывается сила тока – величина зависимая, по оси абсцисс откладывается напряжение – величина, от которой зависит.

Чтобы составить вольт амперную характеристику диода, необходимо провести ряд снятий показателей на мультиметре. Для этого придется взять диод и подключить к нему щупы тестера строго в соответствии с полярностью, то есть, катод подключается к минусу, а анод к плюсу. Теперь надо будет повышать напряжение и при этом при каждом повышении делать замеры силы тока, проходящего через радиоэлемент. Все показатели (напряжение и тока) записываются и наносятся на ось координат.

Конечно, он приблизительный, потому что все будет зависеть от параметров самого диода. Но тип графика ВАХ у всех моделей будут одинаковый. Кстати, это и есть вольтамперная характеристика испытываемого нами диода. На рисунке отчетливо видно, что получен график нелинейного типа. Если таким образом составлять ВАХ, к примеру, резистора, то получится прямая линия, поэтому такие графики называются линейными.

Что касается кривизны характеристики, то у каждого диода она будет разной. Опять-таки это будет зависеть от параметров детали, а также от того, из какого материала он изготавливается. К примеру, у кремниевых аналогов кривизна начинается с где-то с 0,5 вольт, а у диода, изготовленного из германия, с 0,3 вольт.

Подробности характеристики

Еще предлагаем один график, который в точности определяет вольтамперную характеристику диода.

У этой характеристики есть отрицательная сторона графика, а, значит, и отрицательное значение. Почему есть такое обозначение? Все дело в обратном напряжении. Эта величина, которую деталь может выдержать, если подключить ее неправильно, то есть пропустить ток в обратном направлении. Если подключить диод неправильно и пропустить через него ток, то внутри элемента будет действовать так называемый лавинный пробой. А это приведет к резкому повышению силы тока, а, значит, к быстрому выходу из строя самого диода.

Кстати, параметры и характеристики, где присутствует максимальное обратное напряжение, не секрет. Они есть в свободном доступе в интернете. Предлагаем посмотреть одну из таких таблиц, вот она снизу.

Конечно, обычным мультиметром создать высокое напряжение не получится, поэтому график ВАХ, который отображен на первом рисунке, имеет именно такую форму без отрицательных показателей.

Обратите внимание на последний столбик в таблице. Это максимальный показатель частоты. Он говорит о том, что выше этой величины поднимать частоту именно для этого диода нельзя. В некоторых схемах используется частота тока с единицей измерения гигагерц. Так вот эти диоды в них не применяются, у них слишком мало значение частоты – 30000 Гц или 30 килогерц.

Заключение по теме

Вообще, вольтамперная характеристика – вещь очень удобная. Если вы уже неплохо разбираетесь в радиодеталях, то вам стоит только взглянуть на график и точно сказать, как будет работать любой радиоэлемент, установленный в ту или иную электрическую схему. Поэтому совет – перед тем как установить какой-то прибор в подготовленную вами схему, лучше предварительно ознакомиться с его ВАХ.

Читайте также: