I. Краткие теоретические сведения.

В организме животных и человека имеется большое количество биологической жидкостей, содержащих значительное количество ионов, которые участвуют в обменных процессах. Под действием электрического поля ионы движутся с различными скоростями и скапливаются около клеточных мембран образуя электрическое поле, называемое поляризационным. Перераспределение ионов в организме под действием электрического поля вызывает изменения функционального состояния клетки и другие физиологические процессы в тканях.

Действие ионов, их разделение и изменение их концентрации в тканевых образованиях и лежат в основе первичного действия постоянного тока на организм.

Действие постоянного тока на живой организм зависит от силы тока, которая в свою очередь зависит от электрического сопротивления тканей и прежде всего кожи.

Электропроводность кожи, через которую ток проходит, главным образом, по каналам потовых и частично сальных желез, зависит от толщены и состояния ее поверхностного слоя. Тонкая, нежная особенно увлажненная кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса довольно хорошо проводит ток. Сухая, огрубевшая кожа является плохим проводником.

Лечебный метод, при котором используется действие на организм постоянного тока незначительной силы, называется гальванизацией. Для этого используется специальный аппарат для гальванизации, состоящий из двухполупериодного выпрямителя с электрическим фильтром. Ток к участку тела подводится с помощью электродов, подключенных проводами к клеммам прибора. Электроды изготовлены из тонкой свинцовой пластинки.

Наложение электродов непосредственно на кожу недопустимо, т.к. продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащейся в тканях и поте, вызывают прижигание в местах касания электродов. Поэтому между кожей и электродом помещают прокладки марлевые, смоченные физиологическим раствором.

Постоянный ток в лечебной практике используют также и для введения в организм лекарственных веществ, образующих в растворе ионы или заряженные частицы. Растворами этих веществ смачивают прокладки под электродами. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ.

Сопротивление участка тела можно определить по закону Ома:

(1)

где U – напряжение, подведенное к участку тела, (В), I – сила тока, подходящего через этот участок, (А).

При измерениях сила тока J не должна превышать порогового значения силы тока, т.к. в противном случае ток будет вызывать возбуждение участка тела.

Порогом ощущения называется минимальное значение тока, проходящего через 1 см² поверхности кожи, при котором появляется ощущения тока – легкое покалывание.

(2)

где J₀ – сила тока, определяемая по миллиамперметру при пороговом раздражении, (мА), S – площадь электрода, (см²).

 

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Аппарат для гальванизации представляет собой электролечебный аппарат, позволяющий регулировать в цепи пациента напряжение и силу постоянного тока, получаемого путем выпрямления переменного тока осветительной сети и допускающий пользование им непосредственно у постели больного.

Рис.1

Аппарат помещен в пластмассовый корпус. На лицевой панели расположены (рис.1): миллиамперметр 1, ручка переключателя шунта 2 с цифрами 5 и 50 мА, ручка выключателя сети 3, гнезда переключателя обмотки трансформатора на различные напряжения сети 5, клеммы для присоединения проводов пациента с обозначением полярности (+, -) 4, сигнальная лампочка 6.

В принципиальную схему аппарата, которая изображена на рис.2, входят: трансформатор 3; два диода 4, служащих для выпрямления переменного тока; сглаживающий электрический фильтр, состоящий из трех электролитических конденсаторов 5 и двух дросселей 6; потенциометр 7; миллиамперметр 8 с шунтом 9; клеммы 11; переключатель шунта 10.

Рис.2

Ток в цепи пациента измеряется миллиамперметром 8, шунт 9 с переключателем 10 служат для расширения предела измерения миллиамперметра. К выходным клеммам 11 присоединяются провода от электродов, накладываемых на пациента. Лампочка 12 сигнализирует о включении аппарата в сеть тумблером 1. Переключатель 2 необходим для согласования величины сетевого напряжения с трансформатором аппарата для гальванизации.

Наличие трансформатора в аппарате обязательно, т.к. он не только дает необходимое напряжение для его работы, но и исключает возможность попадания непосредственного напряжения, к которой подключен аппарат.

В первичную обмотку трансформатора подается переменный синусоидальный ток периода Т; который возбуждает во вторичной обмотке ток того же периода. График этого тока представлен на рис.3(а), где J – сила тока,

t – время.

 

Рис.3

Крайние точки вторичной обмотки трансформатора а и б (рис.2) попеременно, через каждый полупериод, приобретают положительный потенциал по отношению к средней точке обмотки трансформатора с. Поэтому полупроводниковые диоды 4 будут попеременно «запираться» и «отпираться» через каждый полупериод Т/2.

Возникающие при этом токи будут пульсирующими и иметь полупериодные перерывы (рис.3 б,в). Эти токи будут складываться, создавая общий ток

J₁ + J₂ = J

В результате ток будет иметь уже непрерывный, но все же пульсирующий характер (рис.3 г).

Для дальнейшего сглаживания пульсаций тока применяется электрический фильтр. В первую четверть периода (рис.3) во время возрастания пульсирующего тока, конденсаторы фильтра заряжаются; уменьшая тем самым ток в цепи. Во вторую четверть периода пульсирующего тока уменьшается, при этом конденсаторы фильтра начинают разряжаться, создавая ток, совпадающий с направлением пульсирующего тока. Тем самым частично компенсируются падение пульсирующего тока (рис. 3 д.).

Дроссель еще больше способствует сглаживанию пульсации тока. При возрастании пульсирующего тока в дросселе возникает Э.Д.С. самоиндукции, направленная противоположно направлению изменения тока. Уменьшение пульсирующего тока приводит к возникновению Э.Д.С. самоиндукции, направленной также, как и ток и, следовательно, задерживающий падение пульсирующего тока. Результатом этого является еще большее сглаживание тока, превращение его в почти постоянный (рис. 3, е.).

 

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

ЗАДАНИЕ 1. Определение порога ощущения.

 

1. Ознакомьтесь с расположением ручек управления и приборов на лицевой панели аппарата. (Аппарат включается в сеть переменного тока напряжением 220 В).

2. Подключите к выходным клеммам аппарата электроды.

3. Протрите ватным тампоном, смоченным спиртом, руку.

4. Наложите электроды на руку товарища на 5-6 см выше кисти (с обеих сторон), предварительно положив под электроды прокладки из нескольких слоев марли, слегка смоченных физиологическим раствором. Укрепите электроды с помощью эластичного бинта.

5. Ручка потенциометра должна находится в левом крайнем положении.

6. Включите аппарат и, поворачивая ручку потенциометра по часовой стрелке, отметьте по шкале миллиамперметра пороговое значение тока.

7. Выведите потенциометр в крайнее левое положение и повторите опыт дважды.

8. Выключите аппарат, замерьте площадь электрода.

9. Рассчитайте порог ощущения по формуле (2).

10. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

 

Таблица 1

Определение порога ощущения

№№ п.п.	Величина тока J, мА	Площадь электрода S, см2	Порог ощущения , мА/см2	мА/см2	Е , %
сред

 

ЗАДАНИЕ 2. Определение сопротивления тела.

 

1. Подключите к выходным клеммам вольтметр параллельно электродам (соблюдая полярность на клеммах вольтметра).

2. Наложите электроды на руку, как в задании 1 согласно пункта 4.

3. Вращая ручку потенциометра, установите ток меньше порогового и запишите показания миллиамперметра и вольтметра.

4. Увеличьте напряжение на 1-2 вольта и запишите новые показания миллиамперметра и вольтметра.

5. Опыт повторите еще раз. Сила тока во всех опытах не должна превышать пороговое значение.

6. Вычислите сопротивление участка тела для каждого из трех измерений по формуле (1) и найдите среднее значение.

7. Данные измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

Таблица 2

Определение сопротивления участка тела

№№ п.п	U, В	J, мА	R, Ом	R, Ом	ER, %
сред.

 

8. Сделайте выводы.

IV. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое гальванизация и электрофорез лекарственных веществ?

2. Что называется порогом ощущения и в каких единицах он измеряется?

3. Какое биологическое действие оказывает постоянный электрический ток на ткани организма?

4. Нарисуйте принципиальную схему аппарата для гальванизации и поясните ее.

5. Укажите применение аппарата для гальванизации в ветеринарии.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17

СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с особенностями проводимости в полупроводниках; снять и изучить характеристики полупроводникового диода.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: установка для снятия вольтамперной характеристики полупроводникового диода.

 

 

I. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Все вещества по электропроводимости делятся на три класса проводники, диэлектрики и полупроводники.

В металлах (проводниках первого рода) концентрация свободных электронов велика, поэтому сопротивление металлов электрическому току очень мало. В диэлектриках концентрация свободных электронов ничтожно мала. Поэтому сопротивление диэлектриков велико. Полупроводники по величине электрического сопротивления занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление металлов порядка 10^-7Ом м и меньше, диэлектриков 10⁺⁸Ом м и больше; удельное сопротивление полупроводников лежит между указанными пределами.

Характерной особенностью полупроводников являемся то, что их электрические свойства резко изменяются под действием ряда физических факторов: температуры, освещения, электрического поля, примесей.

К полупроводникам относятся некоторые химические элементы, например: германий Ge, селен Se, кремний Si; оксиды: закись меди CuO, окись цинка ZnO; интерметаллические соединения InSb, GaDS и др.

Из теории строения атома известно, что каждый электрон может иметь только вполне определенные значения энергии.

Ввиду этого энергетический спектр электронов изолированного атома является дискретным. Энергия электронов соответствует определенным энергетическим уровням, значение энергий между которыми являются запрещенными для электронов. Такие уровни показаны в правой части рис.1, а в виде отдельных линий 1-5. На этом рисунке по оси ординат отложены значения энергии Е. электронов, а по оси абсцисс – расстояние между атомами. При больших расстояниях атомы независимы друг от друга и их энергетические уровни одинаковы.

В твердом теле расстояние между атомами настолько мало, что каждый из них находится в сильном электромагнитном поле, созданном соседними атомами. Это приводит к расщеплению одних и тех же энергетических уровней отдельных атомов, т.е. превращению их в энергетическую зону. Энергетические зоны в кристалле, так же как и дискретные уровни в атоме, отделены друг от друга зонами запрещенных энергетических значений и могут вместить лишь определенное количество электронов.

Величина расщепления для разных уровней неодинакова, появляются системы уравнений. На рис.1 а, эти системы уровней – энергетические зоны – показаны заштрихованными областями, как бы возникающими из отдельных уровней независимых атомов.

 

 

По мере уменьшения (т.е. сближения атомов), зоны будут перекрываться, а расщепление захватит и уровни внутренних электронов.

На рис. 1 б схематически показаны энергетические зоны и отдельные уровни электронов в кристаллах, соответствующие расстоянию между атомами, равному r₁. Из рисунка видно, что для внешних (валентных) электронов возникли зоны в результате расщепления уровней 4 и 5, для внутренних электронов сближение атомов до расстояния r₁ еще недостаточно, чтобы образовать зоны. Две заштрихованные зоны на рис. 1 б разделены «пустым» пространством, которое принято называть запрещенной зоной. Электрические свойства материалов определяются заполненностью электронами валентной зоны, т.к. поведение электронов в заполненной и незаполненной зонах существенно отличается. Внешнее электрическое поле в кристалле может вызвать изменение в движении электронов не полностью заполненной зоны и не изменяет движение электронов в зоне, заполненной полностью. Это объясняется тем, что изменение движения электронов связано с изменением его энергетического состояния, а последнее возможно тогда, когда электрон находится в зоне, где есть свободные энергетические уровни, т.е. в не полностью заполненной зоне. В зоне, заполненной полностью нет свободных уровней, и поэтому не может изменять своего движения под действием внешнего поля.

Расположение зон для полупроводника в невозбужденном состоянии представлено на схеме рис.2.

Рис.2

В диэлектриках и полупроводниках при Т = 0 К валентные зоны целиком заполнены, а зоны проводимости пусты (рис.2 а). Они разделены запрещенной зоной, ширина которой, определяемая энергией Е., может быть от сотых долей до 3 эВ у полупроводников и более 3 эВ у диэлектриков. При этой температуре и в отсутствии внешнего воздействия полупроводники и диэлектрики являются идеальными изоляторами.

При нагревании начинаются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости. С ростом температуры все большая часть электронов с верхних уровней валентной зоны переходит на нижние уровни зоны проводимости, что и приводит к возрастанию проводимости.

Нарушение валентных связей приводит к одновременному образованию свободных электронов и пустых мест – дырок вблизи тех атомов, от которых оторвались электроны. На свободное место может перескочить электрон одного из соседних атомов. Дырка, имеющая положительный заряд начинает перемещаться по кристаллу так же, как и освободившийся электрон. Таким образом, в полупроводниках имеются два типа подвижных носителей заряда – электроны и дырки.

При отсутствии внешнего поля электроны и дырки движутся хаотически. Под действием поля они приобретают упорядоченное движение: электроны против поля, дырки – по полю. Химически чистый полупроводник (беспримесный) называют собственным, образующиеся в нем носители зарядов – электроны и дырки – собственными носителями, обусловленную ими проводимость – собственной проводимостью. Для такого полупроводника концентрация электронов равна концентрации дырок, т.е. n= р.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от наличия в них примесей. Так, например, тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз уменьшить их сопротивление.

Рассмотрим механизм влияния примесей на электропроводность полупроводников. Допустим, что в германий внесены примеси мышьяка, атомы которого имеют, пять валентных электронов. Каждый атом германия связан (рис. 3) ковалентными связями с четырьмя ближайшими соседями, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Если в кристалле атомы германия будут частично заменены атомами мышьяка, то четыре из его пяти валентных электронов заполнят валентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый окажется лишним. Он перейдет на примесный уровень (рис. 2,б), расположенный у дна зоны проводимости. При этом ΔЕ_g<<ΔЕ, благодаря чему при небольших внешних воздействиях (ΔЕ_g – энергия, отделяющая донорные уровни от зоны проводимости) концентрация примесных электронов, поставляемых примесными атомами в зону проводимости, превзойдет концентрацию собственных носителей. Подобного типа примеси и образованные ими уровни получили название донорных уровней (отдающих электроны). Такая проводимость называется электронной, а проводник – n типа.

Если часть атомов германия заменить атомами одного из элементов третьей группы периодической системы элементов, например, индия, то трех его валентных электронов не хватит (рис.4) для заполнения валентных связей с соседними атомами германия. Образуется вакантная связь, которая может быть заполнена за счет перехода на вакансию электрона из любой заполненной связи.

С энергетической точки зрения этот переход эквивалентен переходу электрона из заполненной валентной зоны кристалла на энергетический уровень примеси (рис 2 в). Этот переход освобождает один из уровней в верхней части валентной зоны, создавая в ней дырку, при этом ΔЕ_а<< ΔЕ (ΔЕ_а - энергия, отделяющая акцепторные уровни от зоны проводимости). Примеси такого рода называются акцепторными (принимающими электроны), проводимость называется дырочной, а полупроводник р – типа.

Основным элементом полупроводниковых приборов является р – n – переход, представляющий собой граничный слой в полупроводнике с двумя областями, одна из которых обладает проводимостью р – типа, а другая – n- типа.

Рассмотрим процессы, происходящие на границе контакта двух полупроводников с разными типами проводимости (р – n).

При отсутствии внешнего поля в месте контакта двух полупроводников начинается процесс диффундирования (перехода) дырок в n – полупроводник и электронов в р. – полупроводник. Прилегающая к контакту область n – полупроводника получит положительный заряд, обусловленный положительными атомами доноров, а соответствующая область р – полупроводника – отрицательный, отрицательные атомы акцепторов. В результате левый полупроводник оказался заряженным положительно, а правый отрицательно, т. е. на границе раздела возникает двойной электрический слой. Возникающая в месте контакта полупроводников контактная разность потенциалов, и соответственно электрическое поле, препятствует, дальнейшему переходу электронов и дырок через границу р-n – перехода.

Если рассматриваемую систему включить в электрическую цепь так, чтобы внешнее поле было направлено против поля на границе (рис. 5, б), то электроны и дырки начнут двигаться навстречу друг другу, уменьшая ширину двойного электрического слоя и по цепи пойдет ток, сила которого быстро возрастает при увеличении приложенного напряжения. Такое включение р-n – перехода называется прямым, а проходящий ток – прямым или пропускным током.

Если направление внешнего поля совпадает с направлением поля в месте контакта двух полупроводников (рис. 5 в), электроны и дырки начнут двигаться в противоположных направлениях, увеличивая ширину двойного электрического слоя. Величина тока в этом случае будет очень мала и обусловлена тепловой диффузией электронов из n –области в р – область, и дырок из р – в n область. Такое включение р-n – перехода называется обратным или запорным, а проходящий ток – обратным или запирающим током.

 

 

Зависимость тока, проходящего через р-n – переход, от приложенного напряжения, называемого вольт-амперной характеристикой Р-n – перехода (рис.6). Верхняя кривая соответствует прямому включению, а нижняя -обратному (запорному).

Рис.6

Такой вид вольт-амперной характеристики указывает на одностороннюю проводимость р-n – перехода, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Такие приборы получили название диодов (полупроводниковых).

Одной из важнейших характеристик полупроводникового диода является коэффициент выпрямления, равный отношению сил токов – прямого к обратному, измеренных при одинаковых прямом и обратном напряжениях.

 

при | U_пр | = | U_обр |.

 

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

В работе предлагается снять вольт-амперную характеристику полупроводникового диода и измерить его коэффициент выпрямления.

Схема установки изображена на рис. 7.

Рис.7

Переключателем К на полупроводниковый диод Д можно подавать напряжение от источника ₁ в прямом направлении и от источника ₂ в обратном направлении.

Напряжение, подаваемое на диод, можно изменять потенциометрами П₁ и П₂. Прямой ток через диод измеряется миллиамперметром А₁, обратный ток – микроамперметром А₂. Напряжение, подаваемое на диод, измеряется вольтметрами V₁ и V₂.

 

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ,

 

1. Определите диапазон измерения и цену деления приборов.

2. Поставьте потенциометр П₁ в крайнее левое положение, включите источник питания _1.

3. Поставьте переключатель К в положении 1, соответствующие прямому направлению тока через диод Д.

4. Снимите зависимость прямого тока от напряжения, постепенно повышая напряжение поворотом потенциометра П₁ . (интервалы изменения напряжения указываются преподавателем).

5. Отключите источник питания _1.

6. Поставьте переключатель К в положение 2 и включите источник питания ₂ .

7. Снимите зависимость обратного тока от напряжения, изменяя напряжение U₂ на диоде с помощью потенциометра П_2.

8. Данные опыта занесите в таблицу 1.

9. Постройте вольт-амперную характеристику диода по данным таблицы 1.

10. Рассчитайте параметры диода (К, R _пр, R _обр) из вольт-амперной характеристики.

11. Вычислите максимальный коэффициент выпрямления для диода.

при | U_пр | = | U_обр |.

( _пр = , R_обр = рассчитаны при максимальном К).

 

Таблица 1

Снятие вольт-амперной характеристики диода

 

№ п.п.	Uпр , В	Jпр, А	Uобр, В	Jобр, А	Rпр, Ом	Rобр, Ом	K

 

 

IV. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. В чем заключается отличие полупроводников от проводников и диэлектриков?

2. Что такое собственная, электронная и дырочная проводимости полупроводников?

3. Объясните возникновение двойного электрического слоя на границе р-n – перехода.

4. Объясните физические механизмы возникновения прямого и обратного токов диода.

5. Каковы основные параметры и характеристики полупроводниковых диодов?

6. Где применяются полупроводниковые диоды и какие функции они при этом выполняют?

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 18

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: снятие выходных и входных характеристик и определение статистических параметров транзистора.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: установка для снятия характеристик транзистора, исследуемые транзисторы, источник питания.

 

I. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Как отмечалось в лабораторной работе № 18, при контакте двух полупроводников различного типа проводимости образуется Р-n переход, обладающий односторонней проводимостью. Если в одном кристалле проводника создать два Р-n перехода, то получится система, способная усиливать или генерировать электрические сигналы. Такие полупроводниковые приборы получили название транзисторов. Различают транзисторы р-п-р и п-р-п типов (рис. 1 а,б). Средняя часть транзистора называется базой Б или основанием, а крайние – эмиттером Э и коллектором К.

Условные обозначения транзисторов в электрических схемах представлены на рис. 1 в,г.

Рассмотрим работу транзистора р-п-р типа. Он представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из двух областей р – типа, разделенных узкой областью п-типа (рис. 2).

К эмиттерному переходу подключена батарея _э и источник слабого переменного напряжения U_с. К коллекторному переходу подключается батарея _к и нагрузка R.

Таким образом, эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный – в запорном.

Под действием электрического поля батареи _э дырки из эмиттера попадают в базу. Слой базы очень тонкий (порядка нескольких микрометров), поэтому дырки не успевают рекомбинировать в базе и проходят через коллекторный переход, попадая в коллектор. Через эмиттерный переход течет ток J_э , создаваемый преимущественно основными носителями эмиттера (дырками), а через коллектор течет ток J_к, создаваемый неосновными зарядами базы (дырками), причем J_э ³ J_к.

При подаче переменного сигнала U_с число дырок, пришедших из эмиттера в базу, изменится, а значит, изменится и число дырок, попавших в коллектор. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера приводит к изменению тока в коллекторе.

Поскольку сопротивление коллекторного перехода велико (он включен в запорном направлении), изменение тока J_к значительно изменяет напряжение U_к , а значит и мощность. Таким образом, транзистор, включенный по данной схеме, усиливает переменный сигнал U_с по напряжению и мощности.

Рассмотренная схема включения транзистора является схемой с общей базой ОБ. Кроме того, существуют схемы включения транзистора с общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК.

В данной лабораторной работе снимают характеристики транзистора, включенного с общим эмиттером ОЭ (рис. 3).

 

Свойства транзистора в такой схеме определяются входной и выходной характеристикам и статистическими параметрами: входное и выходное сопротивление и коэффициент усиления по току.

Входная характеристика – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном входном напряжении

при U_к = const

Этот параметр легко найти из графика входной характеристики (рис.4).

Выходная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.

J_k = f(U_k) при J ₌ const

Выходное сопротивление транзистора равно:

R_вых = при J = const

Оно определяется из графика выходной характеристики (рис. 5)

Коэффициент усиления по току равен отношению изменения силы входного тока к соответствующему изменению силы тока базы.

при U ^/_к = const.

Коэффициент усиления по току определяется из графика выходных характеристик, снятых при значениях тока базы J и J (рис.5).

 

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема установки для исследования транзистора приведена на рис. 6.

Рис.6

 

Напряжение от источника ₁ при замыкании ключа К₁ подается на базу транзистора Т. Напряжение на базе регулируется потенциометром П₁. При замыкании ключа К₂ напряжение от источника ₂ подается в цепь коллектора К, которое можно изменять потенциометром П₂. Сила тока в цепи базы измеряется микроамперметром, а в цепи коллектора – миллиамперметром. Напряжение, подаваемое на базу и коллектор измеряется вольтметрами V и V_k.

 

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ЗАДАНИЕ 1. Снятие входной характеристики транзистора при U_k=const и определение входного сопротивления транзистора.

 

ВНИМАНИЕ! Подавать напряжение на коллектор (между коллектором и эмиттером) можно только при наличии напряжения на базе (между базой и эмиттером).

1. Включите установку с помощью ключей К₁ и К₂.

2. Снимите входную характеристику транзистора. Для этого установите постоянное напряжение на коллекторе U_к1. Изменяя напряжение на базе U с помощью потенциометра П₁ , запишите соответствующие значения силы тока базы J .

3. Установите напряжение на коллекторе U_к2 с помощью потенциометра П₂ и вновь снимите зависимость тока базы J от U .

 

ПРИМЕЧАНИЕ: значения U_к1 , U_к2 и интервалы изменения U задаются преподавателем.

4. Данные опыта занесите в таблицу 1.

5. Постройте входные характеристики транзистора.

6. По одной из входных характеристик транзистора рассчитайте входное сопротивление транзистора:

при U_k = const.

Таблица 1

Результаты эксперимента

№№ п.п.	U , В	J 1, мкА	J 2, мкА
При Uk1	При Uk2

ЗАДАНИЕ 2 Снятие выходных характеристик транзистора при U =const и определение статистического коэффициента усиления по току.

 

ВНИМАНИЕ! Подавать напряжение на коллектор можно только при наличии напряжения на базе.

1. Включите установку ключами К₁ и К₂.

2. Снимите выходную характеристику транзистора. Для этого установите постоянное значение тока базы J . Изменяя напряжение на коллекторе U_к потенциометром П₂, запишите соответствующие значения тока в цепи коллектора J_к..

3. Установите ток базы J потенциометром П₁ и вновь снимите зависимость тока в цепи коллектора J_к от напряжения на коллекторе U_к.

4. Данные опыта занесите в таблицу 2.

5. Постройте выходные характеристики транзистора.

6. Рассчитайте статистический коэффициент усиления по току:

при U_k = U ^/_к = const.

7. По одной из выходных характеристик транзистора определите выходное сопротивление:

при J = const

8. Сделайте выводы.

Таблица 2

Результаты эксперимента

 

№№ п.п.	Uк, В	J к, мА	J к, мА
При J	При J

 

ПРИМЕЧАНИЕ: значения J , J , U_к и интервалы изменения U_к задаются преподавателем.

 

IV. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Как образуется р-п – переход и каким свойством он обладает?

2. Как устроен и как работает транзистор?

3. Какие существуют схемы включения транзистора?

4. Чем обусловлен эмиттерный и коллекторный ток?

5. Как рассчитать коэффициент передачи по току, входное и выходное сопротивление при включении транзистора по схеме с общим эмиттером?

6. Что называется входной и выходной характеристиками транзистора?

7. Что называется коэффициентом усиления по току и как он определяется?

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19

ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОГО, ЕМКОСТНОГО И ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЙ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение цепей переменного тока с активным, емкостным и индуктивным сопротивлениями.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: переносной измерительный комплект К-50, ламповый реостат, катушка индуктивности, конденсаторы, соединительные провода.

 

I. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Рассмотрим цепь, содержащую только резистор R с омическим сопротивлением R (рис. 1).

Сопротивление R резистора называют активным, так как в нем происходит необратимая потеря электрической энергии, переходящей в тепловую.

Рис.1

К зажимам цепи приложено переменное напряжение

U_R = U_max * Cos t (1)

 

где u_max – амплитудное значение напряжения, - круговая частота.

Величину тока, проходящего через резистор, определим исходя из закона Ома:

t = J _max cos wt (2)

 

где - амплитудное значение силы тока. Из формул (1) и (2) видно, что сила тока и напряжение на активном сопротивлении изменяются в одной фазе – гармонически (рис.2), их можно представить с помощью векторной диаграммы (рис.3).

Вектор, изображающий амплитудное значение силы тока J_max, обычно откладывается вдоль горизонтальной оси, взятой за начало отсчета.

Рис.2

Угол между амплитудным значением тока и напряжением называют фазовым. В цепи, содержащей только активное сопротивление, сдвиг фаз между силой тока и напряжением отсутствует, а поэтому вектор напряжения будет направлен так же, как и вектор тока, т.е. вдоль оси токов (рис.3).

Рассмотрим цепь, содержащую катушку индуктивности с индуктивностью L (рис.4), омическое сопротивление которой будем считать равным нулю.

Рис.4

Напряжение на зажимах цепи будет:

U_L = U_max * cos t (3)

По закону Ома для участка цепи при R = 0 будем иметь

U_L = ₁ - ₂ = _L (4)

(будем считать, что приложенное напряжение уравновешивается электродвижущей силой самоиндукции, равно ей по значению и противоположно по направлению),

где _L - ЭДС самоиндукции, которая по основному закону электромагнитной индукции будет равна:

_L = - L (5)

Учитывая формулы (3), (4) и (5), получим:

U_max Cos t = L (6)

Выделив переменные в (6) и проинтегрируя его, найдем:

I = Sin t = J_max cos ( t - ), (7)

где I_max = - амплитудное значение тока. R_L = L – называется индуктивным сопротивлением. На индуктивном сопротивлении не происходит потери энергии и его называют реактивным сопротивлением.

Из (7) и (3) следует, что сила тока отстает от напряжения (рис. 5). Причиной этого является ЭДС самоиндукции. На рис. 6 представлена векторная диаграмма напряжения и тока в цепи с индуктивностью.

Рассмотрим цепь, содержащую конденсатор емкостью С (рис. 7).

Напряжение на зажимах цепи:

U_c = U_max cos t (8)

А сила тока

I = , (9)

На основании (8) получим:

I = - U_max c Sin t = J_max Cos ( t + ), (10)

 

где J_max = U_max c (11)

J_max - амплитудное значение силы тока.

Величина

называется емкостным сопротивлением и так же как индуктивное называется реактивным сопротивлением. Оно зависит от емкости конденсатора и частоты.

Из /8/ и /10/ следует, что в цепи с емкостным сопротивлением напряжение на конденсаторе отстает по фазе от колебаний силы тока на величину π/2.

Векторная диаграмма полученных результатов представлена на рис.9.

Рассмотрим цепь, содержащую резистор, катушку и конденсатор /рис.10/.

Как было изложено выше, сила тока в цепи и напряжение изменяются не в одной фазе, т. е. если сила тока изменяется по закону:

то напряжение по закону:

где φ-сдвиг фаз между током и напряжением. Полное сопротивление цепи называется импедансом и обозначается Ż.

Для нахождения импеданса и сдвига фаз, воспользуемся векторной диаграммой / рис.11/.Амплитуды напряжений на всех участках будем
откладывать относительно силы тока, т.к. она во всей цепи одинакова. На резисторе векторы напряжения и силы тока совпадают, т.к. они не имеют разности фаз.

На индуктивном сопротивлении вектор напряжения опережает силу тока по фазе на π/2, а на емкостном- отстает на π/2. Результирующий вектор найдем путем сложения трех векторов. Векторы U_maxL и U_maxC направлены по одной прямой в противоположные стороны. Полученные векторы (U_maxL- U_maxC) и U_maxR складываются по правилу параллелограмма и находится результирующий вектор U_max0,т.е.:

/13/

Учитывая, что

; U_maxL=I_max*ωL; U_maxc=I_max* . (14)

получим:

I²_max R²₀ = J²_max R² + J²_max (R_L – R_c)² (15)

Обозначим R₀ через Z – полное сопротивление цепи или импеданс, тогда

Z = (16)

Из рис. 11 получаем

tg = (17)

Закон Ома для рассматриваемой цепи будет иметь вид:

J_{max =} (18)

Электроизмерительные приборы показывают не амплитудные значения тока и напряжения, а эффективные, которые связаны между собой следующим образом:

I_эф = U_эф= ,

Тогда выражение /18/ примет вид:

/19/

 

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

 

Переносной измерительный комплект типа К-50 имеет постоянно смонтированную схему и предназначен для постоянных измерений силы тока, напряжения и мощности в однофазных и трехфазных цепях переменного тока.

На общей панели смонтированы все элементы схемы измерительного комплекта К-50. Все необходимые соединения между элементами схемы выполнены постоянным монтажом.

Рис.12

Кроме крышек измерительных приборов над лицевой стороной панели выступают: ручки переключателей, зажимы, крышка фазоуказателя и кнопка, карболитавая панель со штырьковым переключателем и потенциальными зажимами. Корпус комплекта имеет съемную крышку, на внутренней стороне которой укреплена табличка- инструкция К-50.

Схема включения измерительного комплекта приведена на рис. 12.

Комплект включения в сеть через ЛАТP РН.

 

III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНЯ РАБОТЫ.

ВНИМАНИЕ: подключение комплекта К-50 можно производить только при отключенном источнике питания.

1. Установите комплект в горизонтальное положение.

2. Подключите источник питания к группе зажимов, обозначенных “ген”, нагрузку подключите ко второй группе зажимов, имеющих обозначение ”нагр”. /рис.13/.

3. Установите переключатель фаз комплекта в положение “0”, переключатель номинальных напряжений в положение 600 В, переключатель номинальных токов в положение 50 А, переключатель полярности ваттметра в положение”+”, колодку “К” (штыковый переключатель с обозначением стрелки) установите стрелкой в сторону приборов (рис. 13).

4. Установите стрелки приборов с помощью корректоров на нулевые отметки шкал.

5. Поставьте переключатель фаз в положение фазы, в которой хотят произвести измерения.

 

Если отклонение стрелки амперметра будет меньше 50 % верхнего предела измерения (отметка 50), то переключатель номинальных токов перевести на меньший предел измерения.

Если отклонение стрелки вольтметра будет меньше 50 % от верхнего предела измерения (отметка 75), то переключатель напряжений перевести на меньший предел измерений.

 

ЗАДАНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

1. Подключите к клеммам «нагр» ламповый реостат – позиция 1. (рис. 14), определяя при этом I_эф и U_эф по амперметру и вольтметру.

2. Определите активное сопротивление по формуле:

R =

ЗАДАНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ.

1. Подключите к клеммам «нагр» ламповый реостат и катушку индуктивности (поз. II. Рис. 14).

2. Изменяя подаваемое в схему напряжение U с помощью ЛАТР – а РН, запишите соответствующее ему значение силы тока I_эф.

3. Рассчитайте полное сопротивление Z = при различных напряжениях и найдите Z _ср.

4. Рассчитайте индуктивное сопротивление R_L = и индуктивность катушки

L =

где = 2 f, f = 50 Гц, (активное сопротивление катушки указано на его корпусе); R – активное сопротивление катушки и лампового реостата.

5. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 1.

 

Рис. 14.

Таблица 1

Результаты измерений и вычислений R_L и L

№№ п.п.	Uэф, В	Jэф, А	Z, Ом	Zср, Ом	RL, Ом	L Гн

 

ЗАДАНИЕ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕМКОСТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И МКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

 

1. Подключите к клеммам «нагр» ламповый реостат, и конденсатор (поз.III рис. 14).

2. Последовательно подавая в цепь различные напряжения U_эф , (изменяя его ЛАТРом РН), измерьте соответствующие силы токов I_эф.

3. Рассчитайте полное сопротивление Z при различных напряжениях и найдите его среднее значение Z_ср.

4. Рассчитайте емкостное сопротивление и емкость конденсатора:

R_c = ; C =

5. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 2.

 

Таблица 2.

Результаты измерений и вычислений R_c и С

№№ п.п.	Uэф, В	Jэф, А	Z, Ом	Zср, Ом	Rс, Ом	С, ф

 

IV. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется активным и реактивным сопротивлением?

2. От чего и как зависит индуктивное и емкостное сопротивления? Как они рассчитываются?

3. Расходуется ли электроэнергия на реактивном сопротивлении?

4. Запишите формулу для определения полного сопротивления цепи переменного тока, содержащий резистор, катушку индуктивности, конденсатор.

5. Постройте векторные диаграммы токов и напряжений для цепей переменного тока, содержащих резистор, катушку индуктивности, конденсатор.

6. Что такое импеданс?