Лабораторная работа № 15 исследование нелинейных электрических цепей

15.1. Цель работы

15.1.1. Исследовать вольтамперные характеристики (ВАХ) безинерционных нелинейных элементов на примере выпрямительного диода и стабилитрона.

15.1.2. Исследовать простейшие нелинейные электрические цепи с источником постоянного напряжения.

15.2. Подготовка к работе

15.2.1. Изучив описание данной работы и необходимый материал по конспекту лекций, литературным источникам, ответьте на все вопросы для самопроверки.

15.2.2. Проведите предварительные расчёты.

15.2.3. Нарисуйте рабочие электрические схемы и сделайте заготовки таблиц.

15.3. Предварительные расчёты

15.3.1. Для заданных преподавателем типов диода и стабилитрона из справочников запишите их основные параметры и нарисуйте ВАХ.

По ВАХ диода для паспортного значения прямого тока рассчитайте статическое r_CT и дифференциальное r_d сопротивление.

По обратной (рабочей) ветви ВАХ стабилитрона найдите значение дифференциального сопротивления при токах I_{ст min}, I_{ст ном}, I_{ст max} .

15.3.2. В схеме (рис. 15.1) для заданного номинального тока стабилизации I_{ст ном}, номинального напряжения стабилизации U_{ст ном} , источниках U₁,U₂,U₃ вычислите значение резистора r₁(r₁ r₂, r₃).

Рис.15.1

15.4. Порядок выполнения эксперимента

В лабораторной работе исследуются безинерционные нелинейные элементы двух видов: полупроводниковый диод и полупроводниковый стабилитрон.

15.4.1. Соберите схему по рис. 15.2 для снятия статических ВАХ нелинейных элементов. Установите реостат Rp в нулевое значение его сопротивления.

Рис.15.2

Подключите диод в прямом направлении, соединив точки а и a', b и b'. Увеличивая напряжение, отметьте значение, при котором появится заметный ток через диод. Изменяя напряжение на диоде, составьте таблицу из 5-6 пар значений тока и напряжения. БУДЬТЕ ВНИМАТЕЛЬНЫ! НЕ ПРЕВЫШАЙТЕ ПАСПОРТНОГО ЗНАЧЕНИЕ ТОКА.

15.4.2. Включите диод в обратном направлении, соединив точки а и b', b и а' и снимите обратную ветвь ВАХ, не меняя состава и пределов измерительных приборов.

15.4.3. Повторите п.15.4.1. для стабилитрона. Результаты измерений представьте в виде таблицы.

15.4.4. Повторите п.15.4.2. для стабилитрона. Результаты измерений также представьте в виде таблицы.

5. Соберите схему (рис. 15.1). В качестве источника Е подключите источник напряжения стенда U₁. Запишите значения тока I₁ и напряжения U₁.

6. Соберите схему (рис. 15.3) для наблюдения ВАХ на экране осциллографа (r₂=1Ом).

Рис.15.3

Не подключая ЛАТР к источнику питания 220В, включите осциллограф. Закоротите вход усилителя Y, установив переключатель вида работы усилителя в среднее положение . Ручкой установите горизонтальную линию по центру экрана. Убавьте яркость свечения линии до минимальной величины. Отключите тумблером (справа, сбоку) генератор горизонтальной развёртки. Ручкой переместите пятно в центр экрана (яркость во избежании прожега люминофора экрана должна быть минимальной). Цена большого деления по оси Y (ось тока i, А/дел) равна установленной чувствительности усилителя Y(В/дел, переключатель «усиление»), умноженной на величину измерительного сопротивления r₂=1 Ом. Учитывая, что среднее значение тока через диод ограничено 0,1 А, а его амплитудное значение в π раз больше, то при цене большого деления 0,1 В в трёх делениях по вертикали поместится вся наблюдаемая кривая. Подключите диод, установите режим «открытый вход» в осциллографе, установите ручку ЛАТРа в крайнее левое положение, подайте напряжение на схему и, поворачивая ручку ЛАТРа вправо, установите ток амперметра 0,1 А. Цену большего деления по оси X можно найти по формуле

,

где U - показания вольтметра,

N=5- число малых делений в одном большом делении,

n - число малых делений отклонения луча влево от центра координат.

Зарисуйте ВАХ диода и запишите масштабы по осям.

7. Повторите п. 15.4.6. для стабилитрона.

8. Отключите от точек a-d часть схемы (рис.15.3), левее пунктирной линии. Присоедините точки a-d к входу генератора звуковых сигналов. Плавно изменяя частоту генератора от 50 Гц до 20 кГц, пронаблюдайте характер изменения ВАХ диода. Сделайте зарисовки.

9. Повторите п. 15.4.8. для стабилитрона.

15.5. Обработка результатов эксперимента

1. Постройте графики статических ВАХ диода и стабилитрона по пп. 15.4.1-4.

2. По статической ВАХ диода определите статическое r_ст и дифференциальное r_d сопротивления.

3. По статической ВАХ стабилитрона определите r_d обратной ветви.

4. Сравните статическую ВАХ диода с характеристикой, полученной в п. 15.4.6 на переменном токе. Определите r_ст и r_d по этой характеристике.

15.5.5. Сделайте аргументированные выводы по всем результатам предварительных расчётов и эксперимента, причинам их расхождения и возможным способам уменьшения этих расхождений.

15.6. Вопросы для самопроверки

15.6.1. В чём отличие безынерционных и инерционных нелинейных элементов?

2. Чем отличаются динамические и статические вольтамперные характеристики и как их можно снять практически?

3. Нарисуйте примеры статических и динамических ВАХ линейного, безынерционного и инерционного нелинейных элементов.

15.6.4. Возможно ли, сняв экспериментально статические ВАХ, разделить друг от друга эти элементы?

15.6.5. Возможно ли, сняв экспериментально динамические ВАХ, разделить друг от друга те же элементы?

15.6.6. С помощью каких опытов можно определить какой из элементов заключён в «чёрном ящике»?

15.6.7. Как определить статическое и дифференциальное сопротивление нелинейного элемента?

15.6.8. Как графически находится ток в одноконтурной цепи, содержащей нелинейный элемент?