Лабораторная работа: «Вольтамперная характеристика лампы накаливания, резистора и полупроводникового диода»

Лабораторная работа № 8

Тема: «Вольтамперная характеристика лампы накаливания, резистора и полупроводникового диода»

Цель работы: исследовать вольтамперные характеристики лампы накаливания, резистора и полупроводникового диода.

Оборудование: персональный компьютер, методические указания, рабочая тетрадь, электронное пособие «Electron» - https://cloud.mail.ru/public/KsSt/3rPNmQ3Zh.

Ход работы:

Методические указания:

1. Краткое теоретическое описание

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) элемента называется зависимость силы тока через элемент от напряжения между его концами.

Резистор является линейным элементом, потому что при постоянной температуре его вольтамперная характеристика – прямая линия (Рисунок 1), угол наклона которой зависит от сопротивления резистора.

Рисунок 1 – ВАХ резистора

У нелинейных элементов сопротивление не является постоянной величиной. Вольтамперная характеристика таких элементов - нелинейная.

Примерами нелинейных элементов являются лампы накаливания, полупроводники и др.

ВАХ является основной характеристикой нелинейного элемента, необходимой для описания его работы в электрических цепях.

Измерения ВАХ можно проводить как на постоянном токе, так и на переменном, т.е. в динамическом режиме.

Рассмотрим ВАХ некоторых нелинейных элементов. Как известно, основным элементом лампы накаливания является вольфрамовая нить.

При пропускании через неё тока она нагревается до высоких температур и излучает свет. При этом с повышением температуры сопротивление нити возрастает.

Поэтому ВАХ лампы накаливания оказывается нелинейной (Рисунок 2).

Рисунок 2 – ВАХ лампы накаливания

Другим примером нелинейного элемента является полупроводниковый диод, который обладает различной проводимостью в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения.

Типичная ВАХ полупроводникового элемента с одним p-n переходом представлена на Рисунке 3.

Рисунок 3 – ВАХ полупроводникового диода

Полупроводниковые выпрямительные диоды работают на прямой и обратной ветвях ВАХ до пробоя: пропускают ток только в одном направлении. Пробой может вызывать необратимые разрушения.

Светодиоды (диоды, излучающие свет) работают на прямой ветви ВАХ. Напряжение пробоя у них небольшое (единицы вольт). При кратковременном включении светодиода в обратном направлении и небольшом напряжении его свойства после пробоя могут восстановиться, но могут привести и к необратимым разрушениям. Поэтому необходимо соблюдать полярность подключения светодиода.

При работе с переменным током во избежание пробоя светодиода параллельно ему подключают другой диод с противоположным направлением пропускания тока, чтобы ограничить обратное напряжения на светодиоде.

На Рисунке 4 представлены вольтамперные характеристики светодиодов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов.

Видно, что при прямом включении ток в светодиодах начинает течь (светодиод «открывается» – начинает светиться) при больших напряжениях, чем в кремниевых диодах.

Рисунок 4 – ВАХ кремниевого диода и светодиодов различного цвета

Различие прямых ветвей вольтамперных характеристик для разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучаемого света, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что объясняется малой толщиной p–n переходов. Светодиоды работают только при прямом включении.

2. Порядок выполнения работы

Эксперимент 1:

1. Собрать цепь по схеме, изображенной на Рисунке 5.

Рисунок 5 – Экспериментальная схема с резистором

2. Включить источник питания. Замкнуть выключатель (ключ).

3. Увеличивать напряжение источника питания (ε, B) с 0 В до 10В каждый раз на 2 В, измерить при этом силу тока и напряжение на резисторе.

4. Записать результаты в Таблицу 1.

5. Вычислить отношение измеренного на резисторе напряжения к измеренному значению силы тока и полученные значения сопротивления записать в Таблицу1.

Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений для снятия ВАХ резистора

6. Построить ВАХ резистора, согласно данным U, B и I, А из Таблицы 1.

Эксперимент 2:

1. Заменить резистор на схеме лампой накаливания на 12 В (Рисунок 6).

Рисунок 6 - Экспериментальная схема с лампой накаливания

2. Включить источник питания. Замкнуть выключатель (ключ).

3. Увеличивать напряжение источника питания (ε, B) с 0 В до 10В каждый раз на 2 В, измерить при этом силу тока и напряжение на лампе накаливания.

4. Записать результаты в Таблицу 2.

5. Вычислить отношение измеренного на лампе накаливания напряжения к измеренному значению силы тока и полученные значения сопротивления записать в Таблицу2.

Таблица 2 – Результаты измерений и вычислений для снятия ВАХ лампы накаливания

6. Построить ВАХ лампы накаливания, согласно данным U, B и I, А из Таблицы 2.

Эксперимент 3:

1. Заменить резистор на схеме лампу накаливания полупроводниковым диодом (Рисунок 7).

Так как в электронном пособии «Electron» на Панели деталей конструктора нет полупроводникового диода, то воспользуемся готовыми измерениями, которые уже помещены в соответствующие Таблицы 3 и 4.

Рисунок 7 - Экспериментальная схема с полупроводниковым диодом

2. Включить источник питания. Замкнуть выключатель (ключ).

3. Увеличивать напряжение источника питания (ε, B) с 0 В до 10В каждый раз на 2 В, измерить при этом силу тока и напряжение на полупроводниковом диоде.

4. Записать результаты в Таблицу 3.

Таблица 3 – Результаты измерений для снятия ВАХ полупроводникового диода при прямом направлении тока

5. Разомкнуть цепь и выключить Источник тока. Собрать схему для снятия ВАХ полупроводникового диода при обратном направлении тока.

6. Включить источник питания. Замкнуть выключатель (ключ).

7. Увеличивать напряжение источника питания (ε, B) с 0 В до 10В каждый раз на 2 В, измерить при этом силу тока и напряжение на полупроводниковом диоде.

8. Записать результаты в Таблицу 4.

Таблица 4 – Результаты измерений для снятия ВАХ полупроводникового диода при обратном направлении тока

6. Построить ВАХ полупроводникового диода, согласно данным U, B и I, А из Таблицы 3 (прямой ход – положительная часть) и Таблицы 4 (обратный ход – отрицательная часть).

3. Вывод...

Прикрепить выполненную работу к порталу

Скачано с www.znanio.ru