Спецглавы электротехники и электроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ГОУ МГИУ)

Курс лекций

Спецглавы электротехники и электроники

В.Н. Чичерюкин

В.В. Новиков

Москва 2006

Рецензент: Ярочкина Г.В.

Курс лекций предназначен для студентов МГИУ направления подготовки 140500, изучающих курс «Спецглавы электротехники и электроники». Содержит краткие теоретические сведения по аналоговым и цифровым измерительным системам, способам исследования характеристик электрических и электронных цепей. Практикум также содержит описание лабораторного стенда, порядок выполнения лабораторных работ, вопросы для самоконтроля и другие сведения, необходимые для выполнения работ.

Рекомендовано к изданию кафедрой электротехники, теплотехники, гидравлики и энергетических машин (34):

протокол № от . .2006 г.

Редактор:

Подписано в печать . .2006.

Формат бум. 60х90/16 Бум.множ. Изд. №

Усл.печ.л. 3,0 Уч.-изд.л. 3,0 Тираж 75 Заказ

МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16.

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Лабораторные работы выполняются на стендах типа ЭЛУС (рис. 1). В лабораторном практикуме используются две сменные платы 9 (П1 или П2) с элементами электрических и электронных цепей. В качестве источников питания стенд имеет два источника 8 постоянного тока Б5-48, генератор 7 синусоидальных сигналов Г3-123 и генератор 1 прямоугольных импульсов Г5-63. Для измерений используются вольтметр 4 В7-35, фазометр 3 Ф2-34, осциллограф 2 С1-83 и персональный компьютер (ПК) 10 в комплекте с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 11 типа L-micro_USB. Стенд включается кнопкой 6 ВКЛ, отключается кнопкой 5 ВЫКЛ.

Рис. 1

1.1 Генератор сигналов низкочастотный Г3-123

Генератор сигналов низкочастотный Г3-123 в лабораторной работе используется в качестве источника синусоидального напряжения с регулируемыми частотой и амплитудой.

Для подготовки прибора к работе необходимо:

1. Установить частоту в герцах (Hz) или килогерцах (kHz). Для этого выбрать диапазон частот при помощи ручки 4 (рис. 2) и установить значение частоты ручками 2 с учетом светящегося знака 1, выполняющего функцию разделительной запятой. Ручку 3 для плавной регулировки частоты поставить в крайнее левое положение (до упора против часовой стрелки).

2. Установить уровень напряжения в вольтах. Для этого переключатель 8 аттенюатора (делителя напряжения) поставить в положение «0». Установить напряжение ручками 6 с дискретностью 1 В. Плавная регулировка напряжения в пределах дискретности производится ручкой 5.

3. Выходное напряжение снять с разъема 7.

4. Сетевое питание включить тумблером «СЕТЬ».

Рис. 2

Основная погрешность дискретной установки частоты:

- в диапазоне 10 Гц - 20 кГц - не более 1%

- в диапазоне 1 - 10 Гц - не более 1,5%

- в диапазоне 20 - 299,9 кГц - не более 1,5%

1.2 Генератор сигналов Г5-63

Генератор импульсов Г5-63 в лабораторной работе используется в качестве источника прямоугольных импульсов с регулируемыми длительностью, периодом повторения и амплитудой импульсов.

Прибор выдаёт импульсы прямоугольной формы в режиме одинарных и парных импульсов в диапазоне длительностей Т от 0,1 до 1000 мкс. Диапазон периода повторения от 10 мкс до 200 мс. Скважность импульсов должна обеспечиваться не менее 5. Амплитуда импульсов изменяется в диапазоне от 6 мВ до 60 В.

Для подготовки прибора к выполнению лабораторной работы необходимо (рис. 3):

Рис. 3

1. Установить минимальное значение временного сдвига (ручка 10 против часовой стрелки до упора).

2. Установить режим однократных импульсов (тумблер 8 переключить вверх, в положение ).

3. Установить длительность импульсов в микросекундах (s) регулятором 2 с учётом множителя 11. Коэффициенты переключателя 11 имеют по два положения: чёрное и синее, которые соответствуют чёрной или синей шкале регулятора 2.

4. Установить период повторения импульсов в микросекундах (s) регулятором 3 с учётом множителя 9. Коэффициенты переключателя 9 имеют по два положения: чёрное и синее, которые соответствуют чёрной или синей шкале регулятора 3.

5. Установить выходное напряжение в вольтах регулятором 4. Диапазон регулирования выбирается переключателем 7. Если необходимое выходное напряжение лежит в диапазоне от 10 до 60 В, то три делителя напряжения 5 необходимо поставить вправо, в положение 1:1. Если выходное напряжение должно быть менее 10 В, то коэффициент деления надо задать тумблерами 5.

6. Выходное напряжение снять с разъема 6.

7. Сетевое питание включить тумблером 1 «СЕТЬ».

1.3 Источник питания постоянного тока Б5-48

Источник питания постоянного тока позволяет запитывать цепи постоянного тока напряжением до 50 В при токе до 2 А.

Для подготовки прибора к работе необходимо поставить переключатели напряжения и тока в положения, указанные в задании.

ВНИМАНИЕ! Во избежание выхода из строя прибора категорически запрещено включать прибор при нулевых положениях переключателей тока и напряжения.

1.4 Вольтметр универсальный цифровой В7-35

Вольтметр универсальный цифровой В7-35 предназначен для измерения напряжения постоянного и переменного (действующего значения) тока и силы постоянного и переменного (действующего значения) тока. Прибор не требует выбора диапазона измерения (рис. 4). Необходимо лишь правым переключателем 2 выбрать измеряемую величину. Для измерения напряжения, поставить его в положение mV - V. Левый переключатель 1 поставить в положение для измерения постоянного напряжения, или в положение ~ для измерения переменного напряжения. Измеряемый сигнал подается на клеммы 3 «*» и «ВХОД», расположенные на правой боковой панели. Следует иметь в виду, что к клемме «*» подключается отрицательный потенциал, а к клемме «ВХОД» - положительный. Сетевой выключатель 4 расположен справа на задней панели.

Рис. 4

Относительная основная погрешность измерения напряжения постоянного тока равна [0,2 + 0,1 (| ХК/Х | - 1)]%.

Относительная основная погрешность измерения напряжения переменного тока на пределах 100 мВ и 1 В равна [0,4 + 0,2 (| ХК/Х | - 1)]%.

Относительная основная погрешность измерения напряжения переменного тока на пределах 10 В и 100 В равна [0,8 + 0,3 (| ХК/Х | - 1)]%.

1.5 Осциллограф универсальный С1-83

Осциллограф универсальный С1-83 предназначен для визуального наблюдения электрических сигналов, а также измерения амплитудных и временных параметров исследуемых сигналов, в том числе при одновременном исследовании двух сигналов.

Для подготовки прибора к работе во временном режиме необходимо (рис. 5):

Рис. 5

1. Включить выключатель питания 7, потянув его наружу.

2. Установить развертку по времени (например, 0,2 ms/дел) ручкой 15. Ручку 14 повернуть вправо до щелчка. Множитель 13 поставить в положение 1 (нажать внутрь).

3. Для получения одного луча через канал I нажать кнопку 7. Для получения двух лучей через оба канала нажать кнопку 3 или 5.

4. Выбрать автоматическую синхронизацию развертки с помощью ручки 19, нажав ее внутрь. Для запуска синхронизации от первого канала нажать кнопку 16.

5. Если на экране луч не просматривается, вывести его в рабочую область экрана можно ручками 11 и 13.

6. Ручки настройки канала 1 расположены на панели 12, а канала 2 на панели 4. Настройка каналов производится аналогично. Входные сигналы подключаются к разъемам 1 и 6. Развертка по напряжению (например, 1 В/дел) устанавливается ручкой 8. Ручку 9 повернуть вправо до щелчка. Множитель 11 поставить в положение 1 (нажать внутрь).

7. Для исследования только переменной составляющей входного сигнала ручку 10 поставить в положение ~ . Для исследования полного сигнала ручку 10 поставить в положение .

8. Добиться устойчивого изображения, изменяя уровень синхронизации при помощи ручки 19.

Для подготовки прибора к работе в двухкоординатном режиме необходимо:

1. Включить питание кнопкой 18 (рис. 5), потянув её наружу.

2. Установить двухкоординатную развертку, нажав кнопку 2 II X-Y.

3. Отключить временную синхронизацию, нажав кнопку 17 X-Y на панели «СИНХРОНИЗАЦИЯ».

4. Ручки 10 поставить в среднее положение .

5. Ручкам 13 и Канал II найти луч и поставить его посредине экрана точно в нулевое положение.

6. Ручки настройки канала 1 (горизонтальная ось) расположены на панели 12, а канала 2 (вертикальная ось) на панели 4. Настройка каналов производится аналогично. Входные сигналы подключаются к разъемам 1 и 6. Развертка по напряжению (например, 1 В/дел) устанавливается ручкой 8. Ручку 9 повернуть вправо до щелчка. Множитель 11 поставить в положение 1 (нажать внутрь).

7. Входной сигнал, соответствующий горизонтальной оси, подключить к входному разъему 6 канала I. Входной сигнал, соответствующий вертикальной оси, подключить к входному разъему 1 канала II.

Основная погрешность измерения напряжений - не более 4,5% при размере изображения 5,5 - 6 делений.

Основная погрешность измерения временных интервалов - не более 4,5% при размере изображения 9 - 10 делений.

1.6 Измеритель разности фаз (фазометр) Ф2-34

Измеритель разности фаз Ф2-34 предназначен для измерения фазового сдвига между двумя синхронными синусоидальными сигналами. Подготовка прибора к работе состоит в следующем:

1. Включить сетевой выключатель (рис. 6).

2. Подать исследуемый сигнал на левый входной разъем 1, а опорный сигнал на правый входной разъем 2.

3. Провести калибровку прибора. Для этого кратковременно нажать кнопку «?». Процесс калибровки продолжается 2 … 3 минуты, пока справа на табло не замигает символ «-». Во время калибровки не изменять параметры цепи.

4. По окончании калибровки прибор будет показывать значение фазового сдвига в градусах синусоиды на входе 1 по отношению к нулевой фазе синусоиды на входе 2.

Повторная калибровка прибора не требуется вплоть до отключения его от сети.

Рис. 6

Погрешность измерения углов фазового сдвига не более (0,5+10-7 f)% в диапазоне частот 5 f 5106 Гц и в диапазоне напряжений 2 мВ ... 2 В.

1.7 Цифровая измерительная система

Цифровая измерительная система состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) типа L-micro_USB_1.0 и персонального компьютера (ПК), который используется как для измерительных целей, так и для дальнейшей обработки экспериментальных данных, а также и для решения других учебно-методических задач (теоретическое цифровое моделирование исследованных процессов, подготовка отчётов по работе, контроль знаний студентов и др.). Блоки АЦП пронумерованы. Они настроены под конкретный ПК и поэтому должны соответствовать номерам на стендах.

Для соединения АЦП и ПК используется кабель USB, который плоским штекером подключается к ПК, как показано на рис. 7 (нижний разъём на передней панели ПК), а вторым штекером 3 к АЦП, как показано на рис. 8.

Измеряемые сигналы к АЦП подаются через входные разъёмы 1 и 2 (помечено на АЦП). К разъёму 1 подключаются измерительные каналы 1 и 3. К разъёму 2 подключаются измерительные каналы 2 и 4. При использовании лишь двух каналов необходимо применить переходник с разъёмами 1 и 2 (рис. 2-8), причём разъём 1 переходника надо подключить к разъёму 1 АЦП, а разъём 2 переходника надо подключить к разъёму 2 АЦП. К переходнику подключается двухканальный делитель напряжения 4 с раздельными переключателями 1:1 / 1:10.

Рис. 7

Технические характеристики АЦП типа L-micro_USB.

> Максимальное количество аналоговых входов (каналов) - 4.

> Диапазон изменения входных аналоговых сигналов - 10 В (без делителя напряжения). Максимально допустимое входное напряжение - 30 В.

> Количество разрядов АЦП - 12.

> Входное сопротивление по аналоговым входам - 1 МОм.

Рис. 8

> Максимальная частота выборок на канал (дискретизация) -

< 200 кГц при 1-м работающем канале,

< 100 кГц при 2-х каналах,

< 66 кГц при 3-х каналах,

< 50 кГц при 4-х каналах.

> Минимальная частота выборок на канал - 0,25 кГц.

> Выборка сигналов с 4-х входных каналов производится одновременно.

> Интегральная и дифференциальная нелинейности АЦП - не более 1 емр (единиц младшего разряда).

> Основная погрешность измерения напряжения с любого канала - не хуже 10 емр.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

2.1 Краткие теоретические сведения

Цифровые измерительные приборы

Современные цифровые технические средства проведения эксперимента позволяют получить ВАХ нелинейного элемента, а также всей исследуемой цепи или отдельных её ветвей в одном опыте и за короткое время. Цифровыми называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме. В цифровых измерительных приборах (ЦИП) в соответствии со значением измеряемой величины образуется код, а затем в соответствии с кодом измеряемая величина представляется в цифровой форме. При этом измерения с помощью ЦИП носят дискретный характер (рис. 3-1, пунктирная линия).

В аналоговом приборе каждому значению измеряемой величины ХВХ соответствует свое единственное положение указателя ХИЗМ. В этом приборе при любом, сколь угодно малом изменении измеряемой величины изменяется и положение указателя. Измерения аналоговым прибором носят непрерывный характер (см. рис. 3-1, сплошная линия).

Для автоматизации процесса измерений используют аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой код с которого передаётся в вычислительное устройство, например, в персональный компьютер (ПК) для дальнейшей обработки.

Дискретизацией непрерывной во времени величины х(t) называется операция преобразования её в величину прерывную во времени, т. е. в величину, значения которой совпадают с соответствующими значениями х(t) только в определенные моменты времени. Промежуток между двумя соседними моментами времени дискретизации называется шагом дискретизации, который может быть постоянным или переменным.

Рис. 3-1

В результате дискретизации измеряемой величины возникает погрешность дискретности, обусловленная тем, что бесконечное множество значений измеряемой величины отражается лишь ограниченным количеством показаний ЦИП. Погрешность дискретности присуща цифровым и отсутствует у аналоговых приборов. Однако эта погрешность не является препятствием для увеличения, точности прибора, так как соответствующим выбором шага дискретизации эту погрешность можно сделать сколь угодно малой.

К числу достоинств ЦИП относятся:

1) объективность и удобство отсчета и регистрации результатов измерения;

2) может быть получена высокая точность измерения при полной автоматизации процесса измерения;

3) может быть получено высокое быстродействие;

4) возможность сочетания ЦИП с вычислительными и различными автоматическими устройствами;

5) возможность дистанционной передачи результатов измерения в виде кода без потерь точности.

Недостатки ЦИП - сравнительная сложность, сравнительно малая надежность, высокая стоимость и низкая перегрузочная способность.

ЦИП находят применение в тех случаях, когда требуется производить измерения с высокой точностью при полной автоматизации процесса измерения, а также в тех случаях, когда требуется выдача результатов измерения в виде кодов для регистрации, обработки или передачи результатов на расстояние. Поэтому ЦИП находят применение как в лабораторных, так и в производственных условиях для измерения различных электрических и неэлектрических величин.

Основные характеристики цифровых приборов

Статические погрешности.

Основная погрешность ЦИП складывается обычно из следующих четырех составляющих:

погрешности дискретности ?хД;

погрешности квантования ?хР;

погрешности ?хЧ от наличия порога чувствительности;

погрешности ?хП от действия помех на ЦИП и его элементы.

Динамические погрешности.

Различают динамические погрешности первого и второго рода. Динамические погрешности первого рода, так же как и в аналоговых приборах, обусловлены инерционностью элементов измерительной части прибора и так же влияют на динамические свойства ЦИП. Динамические погрешности второго рода возникают из-за того, что измерение производится в один момент времени, а результат измерения приписывается обычно либо началу цикла преобразования, либо его концу.

Нормирование основной погрешности.

Обычно для ЦИП предел основной допускаемой погрешности (в процентах) выражается двучленной формулой вида

,

где a0, b0 -- постоянные числа; хK -- верхний предел диапазона измерений. Для ЦИП нормируются значения a0 и b0, которые выбираются из определенного ряда по ГОСТ. Класс точности ЦИП определяется совокупностью a0 / b0.

Диапазон измерений -- область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности прибора. Если прибор предназначен для измерения величины, изменяющейся в широких пределах, то с целью повышения точности измерения в приборе предусматривается несколько диапазонов, которые переключаются вручную или автоматически.

Порог чувствительности ЦИП - наименьшее изменение измеряемой величины, вызывающее изменение показания прибора.

Разрешающая способность -- значение (цена) одной единицы младшего разряда отсчетного устройства.

Входное сопротивление прибора.

Оно влияет на потребляемую мощность от измеряемой цепи и в конечном итоге на результат измерения. Чтобы влияние было минимальным, например, у вольтметров, входное сопротивление делают по возможности большим, а у амперметров - по возможности наименьшим.

Быстродействие.

Этот параметр характеризуется числом измерений, выполняемых прибором с нормированной погрешностью в единицу времени.

Помехоустойчивость.

Помехи, действующие на ЦИП, делятся на помехи нормального вида и помехи общего вида. Помехи нормального вида (например, наводки на соединительные провода) -- помехи, ЭДС которых включается последовательно с источником измеряемого сигнала. Помеха общего вида возникает из-за наличия разности потенциалов между зажимами источника измеряемого сигнала и точкой заземления прибора.

Надежность.

Надежность есть свойство прибора выполнять заданные функции, сохранять свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой продолжительности работы прибора.

Измеряемые величины в цепях переменного тока

Сила тока и напряжение в цепях переменного тока изменяются по синусоидальному закону (рис. 3-2). Для кривой тока i = Im?Sin (?t + ?). Здесь: Im?- амплитудное (максимальное) значение тока; ? - начальная фаза (угол при t = 0); ? = 2??f - угловая частота; f = 1/Т - частота, а Т - период (время одного колебания).

Рис. 3-2

Для однозначного задания синусоиды необходимо знать три параметра: амплитудное значение, частоту и начальную фазу. Однако для измерения силы тока и напряжения используется не амплитудное значение, а действующее (среднеквадратичное). Например, для тока действующее значение

.

Причем измерительные приборы (амперметры и вольтметры) показывают именно действующее значение.

Смещение синусоиды во времени можно осуществить, если в качестве нагрузки использовать не только активное сопротивление (резистор) R, но и реактивное (катушку индуктивности L или конденсатор C). Например, если выбрать R-C нагрузку, то кривая напряжения будет отставать от кривой тока на угол ? (см. рис. 3-2).

2.2 Порядок выполнения работы

Проверка аналогового осциллографа

Соберите цепь по рис. 3-3. Элементы цепи обозначены на схеме. Собирая цепь, обратите внимание на то, чтобы у приборов Г3-123, С1-68 и Ф2-34 корпусные клеммы были подключены к точке 0. У приборов Ф2-34 и С1-68 достаточно подключить лишь одну корпусную клемму (например, от входа 1). У генератора Г3-123 установите частоту f1 = 1000 Гц, переключатель напряжения поставьте в положение 2 В, ручки плавной регулировки частоты и напряжения установите влево до упора, переключатель «dB» установите в положение 0. У вольтметра В7-35 левый переключатель поставьте в положение « », правый переключатель - в положение «mV - V». У осциллографа ручки плавной регулировки развертки по напряжению 9 (см. рис. 2-5) и по времени 14 поверните вправо до щелчка. Установите развертку по напряжению для первого канала 1 В/дел, для второго канала 0,5 В/дел. Установите временную развертку осциллографа 0,2 ms. У переключателя каналов нажмите кнопку 3 (?????Синхронизация от I канала, Авт., НЧ.

С разрешения преподавателя включите сетевые выключатели на приборах.

Рис. 3-3

Измерьте вольтметром напряжение U1 [В]. Измерьте фазометром угол ?? [град]. С помощью осциллографа измерьте двойное амплитудное значение 2UM2. Установите развертку осциллографа 0,1 ms и измерьте период Т2 [ms] и сдвиг фаз ?t2 [ms].

Предъявите результаты измерений преподавателю. С разрешения преподавателя отключите питание генератора Г3-123.

Цифровая измерительная система

Включите персональный компьютер. Подготовьте к работе цифровую измерительную систему.

Работа выполняется на стендах ЭЛУС в комплекте с АЦП (L-micro USB_1) и ПК (см. п. 2.7). Блоки АЦП настроены под конкретный ПК и поэтому должны соответствовать номерам на стендах.

При выполнении работы строго соблюдать указанную последовательность действий!

> Включите ПК.

Подключите переходник к АЦП: разъёмы 1 и 2 переходника должны подключаться соответственно к входам 1 и 2 АЦП (см. рис 2-8).

Подключите делитель напряжения к переходнику.

Делитель поставьте в положение 1:1 (оба канала).

Подключите кабель USB плоским штекером к ПК, как показано на рис. 2-7 (нижний разъём на передней панели ПК).

Подключите кабель USB вторым штекером к АЦП, как показано на рис. 2-8 - загорится красная лампа на АЦП.

Если во время измерений или сборки цепи на АЦП погаснет лампа, отключите кабель USB от АЦП, подождите 3 ... 5 секунд, и снова подключите.

В цепи по рис. 3-3 отключите осциллограф С1-68 и на его место подключите АЦП (канал 1 и канал 2). При сборке обратите внимание на то, чтобы общие (корпусные) выводы АЦП (штекеры чёрного цвета) были подключены к точке «0» (рис. 3-3).

Покажите собранную цепь преподавателю.

Включите генератор Г3-123. Запустите программу L-micro с рабочего стола ПК.

В окне программы на правой панели установите: Каналы - 2;

Частота - 100 кГц.

На верхней панели установите: MYK1 = 1; MYK2 = 1; MX = 1.

Щелкните по кнопке СТАРТ. Через несколько секунд (не менее 1 секунды) щёлкните по кнопке СТОП.

Наблюдайте временную зависимость и покажите её преподавателю.

Проведите измерения UM3 [B], T3 [ms], t3 [ms] для этого мышью установите маркер в нужную точку и в окошках в верхней части экрана прочитайте значения измеренных величин.

Сохраните полученные данные.

Для этого щёлкните Файл Экспорт. Выберите папку: C:\DATA\

Впишите имя файла: <номер группы> (например, <7347R_C.xls>).

Щёлкните СОХРАНИТЬ. Щёлкните ЗАКРЫТЬ.

Выключите генератор Г3-123.

2.3 Порядок проведения расчетов

Вычислите:

? ?? = ; U2 = ; ?

Приняв в качестве образцовых приборов генератор (по частоте), измеритель разности фаз (по углу) и вольтметр (по напряжению), а в качестве испытуемого прибора осциллограф, сделайте вывод о пригодности последнего для проведения измерений.

Вычислите:

?? = ; U3 = ; ?

Приняв в качестве образцовых приборов генератор (по частоте), измеритель разности фаз (по углу) и вольтметр (по напряжению), а в качестве испытуемого прибора АЦП, сделайте вывод о пригодности последнего для проведения измерений.

2.4. Содержание отчета

1. Схема исследуемой электрической цепи.

2. Таблицы результатов измерений и расчетов.

3. Выводы по результатам испытаний.

2.5 Контрольные вопросы для защиты

1. Что такое цифровой измерительный прибор и в чем его особенности?

2. Что такое абсолютная, относительная и приведенная погрешности и что они характеризуют?

3. Что такое класс точности измерительного прибора и что он характеризует?

4. Чем определяется точность измерения и точность прибора?

5. В чем отличие цифровых и аналоговых приборов?

6. Какие приборы, цифровые или аналоговые, имеют выше точность и почему?

7. Какой прибор можно использовать в качестве образцового?

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

3.1 Краткие теоретические сведения

Полупроводниковый p-n переход

Электропроводность полупроводниковых материалов, например, кремния (Si) или германия (Ge), имеющих валентность IV, определяется двумя факторами. Во-первых, собственной проводимостью - это проводимость химически чистого полупроводника. Электропроводность чистых полупроводниковых материалов низка в сравнении с металлами и растёт при нагревании (в отличие от металлов). Во-вторых, примесной проводимостью, возникающей при наличии примеси с валентностью IV. В качестве примесей используют, например, фосфор (Р) с валентностью V и индий (In) с валентностью III. Полупроводник с примесью обладает существенно более высокой электропроводностью.

При наличии пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника, а один примесный электрон не может образовать ковалентной связи и является свободным, т. е. становится дополнительным свободным носителем заряда, увеличивая проводимость полупроводника. Если примесь трёхвалентная, то возникает недостаток одного электрона для образования ковалентной связи с соседними атомами полупроводника. Место с недостающим электроном условно можно считать положительным свободным зарядом, который называют «дыркой». Таким образом, примесная проводимость бывает двух типов: электронная проводимость (n-проводимость), и дырчатая проводимость (p-проводимость). При этом электроны в n-полупроводнике и «дырки» в p-полупроводнике являются основными носителями заряда.

Граница соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырчатым переходом (p-n переходом). Из-за наличия теплового движения (диффузии) элементарные заряды (электроны и «дырки») стремятся к равномерному распределению в пределах p-n структуры. Однако по мере перехода электронов из
n-области в p-область и «дырок» в обратном направлении между областями образуется разность потенциалов (потенциальный барьер Т), препятствующий тепловому перераспределению зарядов. Благодаря этому устанавливается термодинамическое равновесие.

При этом в зоне p-n перехода в p-слое становится больше электронов (неосновных) и меньше «дырок» (основных) зарядов, а в n-слое больше «дырок» (неосновных) и меньше электронов (основных) зарядов. То есть, зона p-n перехода (оба слоя) обедняется основными носителями тока, что снижает её проводимость.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковая структура из двух полупроводников с различными типами проводимости и одним p-n переходом называется полупроводниковым диодом (рис. 4-1). Если к диоду приложить внешнее напряжение плюсом к p-слою, а минусом к n-слою (рис. 4-1, а), то потенциальный барьер снижается. При напряжении больше, чем значение потенциального барьера (Т) p-n переход оказывается насыщенным основными носителями тока, что обеспечивает его высокую электропроводность. Такое включение диода называется прямым (диод открыт). Если изменить полярность внешнего напряжения (рис. 4-1, б), то запирающее напряжение в зоне p-n перехода возрастёт, а p-n переход будет не проводящим и расширится. Такое включение диода называется обратным (диод заперт).



Рис. 4-1

На рис. 4-1, в показано условное обозначение диода. Электрод p-слоя называется анод. Электрод n-слоя называется катод.

Вольт-амперная характеристика диода (зависимость I = f(U)) показана на рис. 4-2. На участке 1 U < Т, и прямой ток мал. На участке 2 U > Т,
p-n переход открыт, и прямой ток определяется сопротивлением нагрузки. На участке 3 запертый p-n переход препятствует прохождению основных носителей тока. Здесь обратный ток определяется только неосновными носителями. Это тепловой ток I0.

Стабилитрон

На участке 4 (см. рис. 4-2) напряжённость поля в p-n переходе достигает уровня электрического пробоя и обратный ток резко возрастает. Это связано с тем, что в p-n переходе неосновные носители заряда под действием сильного электрического поля приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации и образованию большого количества дополнительных зарядов. Такой пробой называют лавинным. Обратный ток резко увеличивается при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя обратим. При снижении напряжения на диоде свойства p-n перехода полностью восстанавливаются.

Диод, работающий на участке 4, можно использовать для стабилизации напряжения. Как видно из рис. 4-2, на этом участке в широком диапазоне обратных токов напряжение на диоде практически не изменяется и равно UСТ. Поэтому диод, работающий в таком режиме, называют стабилитроном. На рис 4-3 показано условное изображение стабилитрона.

Если температура p-n перехода возрастает выше критической в результате прохождения значительного обратного тока, то наступает тепловой пробой (участок 5). Это вид пробоя разрушает p-n переход.

Рис. 4-2 Рис. 4-3

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор -- полупроводниковый прибор, состоящий из трёх чередующихся полупроводниковых слоёв p и n типов проводимости и имеющий два p-n перехода. В таком транзисторе ток создаётся движением зарядов двух полярностей (электронов и «дырок»). Это и определило название «биполярный».

В трёхслойной структуре возможны два варианта чередования слоёв. Транзистор прямой проводимости имеет структуру p-n-p. Транзистор обратной проводимости имеет структуру n-p-n. Устройство и принцип действия транзисторов обоих типов проводимости аналогичен. Разница лишь в полярности зарядов, обеспечивающих прохождение тока и соответственно в полярности внешних напряжений, подключаемых к электродам транзистора. На рис. 4-4 показано условное обозначение биполярных транзисторов обоих типов. Средний слой полупроводниковой структуры называется базой. Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов или «дырок»), называется эмиттером. Другой наружный слой, принимающий эти носители зарядов, называется коллектором.

Рассмотрим работу транзистора на примере n-p-n структуры (рис. 4-5). Источник питания ЕК подключается плюсом к коллектору, а минусом к эмиттеру. При отсутствии тока базы IБ = 0 (при RБ = ), полярность подключения такова, что эмиттерный p-n переход открыт, а коллекторный закрыт. Ток коллектора IК равен току эмиттера IЭ и очень мал (тепловой ток I0), поскольку образуется неосновными носителями.

Рис. 4-4 Рис. 4-5

Если в базу подать ток IБ (см. рис 4-5), то через эмиттерный переход пойдёт прямой ток (электроны из эмиттера в базу, а «дырки» наоборот). При этом небольшая часть электронов в базе (p-слое) рекомбинирует с «дыркам» (основными носителями в базе), а большая их часть достигает коллекторного p-n перехода и отпирает его, создавая ток коллектора. При этом, чем больше ток базы, тем больше ток коллектора.

Связь между эмиттерным и коллекторным токами определяет коэффициент передачи тока

,

который для большинства транзисторов лежит в пределах 0,9...0,995. Из этого следует, что IК IЭ и IБ << IЭ.

Усилительные свойства транзистора характеризуются коэффициентом усиления тока

.

С учётом первого закона Кирхгофа получим соотношения между этими двумя коэффициентами:

; .

Выходная вольт-амперная характеристика транзистора это зависимость выходного тока коллектора IK от напряжения на коллекторе UКЭ. (рис. 4-6) при неизменном токе базы. Из графика видно, что характеристика представляет собой прямую линию, почти параллельную оси напряжения. То есть ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллекторе. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт не зависимо от напряжения база-коллектор, а ток коллектора зависит от количества зарядов, поступающих из эмиттера в базу, то есть током эмиттер-база. Как видно из рис. 6, при увеличении тока базы характеристика поднимается выше.



Рис. 4-6

Тиристор

Тиристор -- четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся слоёв p и n типов проводимости (рис. 4-7). Наружный
p-слой (p1) и вывод от него называется анодом. Наружный n-слой (n2) и вывод от него называется катодом. Внутренние p и n слои называются базами.

Если на анод подать отрицательный потенциал, а на катод положительный, то переходы П1 и П3 (см. рис. 4-7) будут закрыты. Это обратное включение тиристора, и через тиристор протекает маленький обратный ток, вызванный неосновными зарядами.

При подключении минуса к аноду, а плюса к катоду (прямое включение), переходы П1 и П3 открыты, а переход П2 закрыт. Поэтому через тиристор протекает также маленький обратный ток. Однако, если напряжённость поля в запертом переходе П2 превысит уровень ударной ионизации, то произойдёт лавинообразное увеличение зарядов в этом переходе. Это приводит к резкому нарастанию тока в тиристоре и уменьшению напряжения между анодом и катодом до 0,5 ... 1,0 В. Напряжение, при котором происходит отпирание перехода П2, называется напряжением включения UВКЛ.



Рис. 4-7

Снизить напряжение включения можно путём введения неосновных носителей заряда в любую базу (n1 или p2). Для этого тиристор имеет третий управляющий электрод, к которому подключается ток управления. На рис. 4-7 показано семейство кривых для различных токов управления.

Если управляющий электрод отсутствует, то такой тиристор неуправляемый и называется динистор. Его условное обозначение показано на рис. 4-8, а. Если управляющий электрод подключён к катодной базе (p2, см. рис. 4-7), то это тиристор с катодным управлением (рис. 4-8, б). Если управляющий электрод подключён к анодной базе (n1, см. рис. 4-7), то это тиристор с анодным управлением (рис. 4-8, в).

Рис. 4-8

После включения тиристора напряжение между анодом и катодом составляет U = 0,5 ... 1,0 В. Ток тиристора равен току нагрузки IH и определяется сопротивлением нагрузки и напряжением питания E0 за вычетом напряжения U на включённом тиристоре (см. рис. 4-7).

Для запирания тиристора необходимо снизить ток в нём ниже значения IЗАП (см. рис. 4-7). Это значение близко к нулю. Тиристор также запрётся, если на него подать обратное напряжение.

Важной характеристикой тиристора является значение тока управления, при котором его характеристика спрямляется и становится такой же, как у диода. Ток управления спрямления обеспечивает работу тиристора как электронного ключа.

3.2 Подготовка стенда к работе

Работа выполняется на стендах ЭЛУС в комплекте с АЦП
(L-micro USB_1) и ПК. Блоки АЦП настроены под конкретный ПК и поэтому должны соответствовать номерам на стендах.

При выполнении работы строго соблюдать указанную последовательность действий!

> Включите ПК.

Подключите переходник к АЦП: разъёмы 1 и 2 переходника должны подключаться соответственно к входам 1 и 2 АЦП (см. рис 2-8).

Подключите делитель напряжения к переходнику.

Делитель поставьте в положение 1:10 (оба канала).

У генератора Г3-123 установите частоту 1000 Гц и напряжение 20 В.

Подключите кабель USB плоским штекером к ПК, как показано на рис. 2-7 (нижний разъём на передней панели ПК).

Подключите кабель USB вторым штекером к АЦП, как показано на рис. 2-8 - загорится красная лампа на АЦП.

Ў Если во время измерений или сборки цепи на АЦП погаснет лампа, отключите кабель USB от АЦП, подождите 3 ... 5 секунд, и снова подключите.

3.3 Вольт-амперная характеристика диода

> Соберите цепь по рис. 4-9, используя плату П2. В качестве VD выберите диод D1. При сборке обратите внимание на то, чтобы общие (корпусные) выводы генератора и АЦП (штекеры чёрного цвета) были подключены к точке «0» (рис. 4-9).

Покажите собранную цепь преподавателю. Преподаватель должен включить стенд.

Включите генератор Г3-123. Запустите программу L-micro с рабочего стола ПК.

В окне программы на правой панели установите: Каналы - 2;
Частота - 100 кГц.

На верхней панели установите: MYK1 = 1; MYK2 = 1; MX = 1.

Щелкните по кнопке СТАРТ. Через несколько секунд (не менее 1 секунды) щёлкните по кнопке СТОП.

Рис. 4-9

Наблюдайте временную зависимость и покажите её преподавателю.

Сохраните полученные данные. Для этого щёлкните Файл Экспорт. Выберите папку: C:\DATA\

Впишите имя файла: <номер группы> (например, <7347диод.xls>).

Щёлкните СОХРАНИТЬ. Щёлкните ЗАКРЫТЬ.

Выключите генератор Г3-123.

3.4 Вольт-амперная характеристика стабилитронов

> В собранной цепи по рис. 4-9 в качестве VD выберите стабилитрон D2.

Покажите собранную цепь преподавателю.

Включите генератор Г3-123.

В окне программы L-micro на правой панели установите:
Каналы - 2; Частота - 100 кГц.

На верхней панели установите: MYK1 = 1; MYK2 = 1; MX = 1.

Щёлкните по кнопке СТАРТ. Через несколько секунд (не менее 1 секунды) щёлкните по кнопке СТОП.

Наблюдайте временную зависимость и покажите её преподавателю.

Сохраните полученные данные. Для этого щёлкните Файл Экспорт. Выберите папку: C:\DATA\

Впишите имя файла: <номер группы> (например, <7347стаб1.xls>).

Щёлкните СОХРАНИТЬ. Щёлкните ЗАКРЫТЬ.

> В исследуемой цепи по рис. 4-9 в качестве VD выберите стабилитрон D3. Повторите измерения. Сохраните полученные данные в файл с именем, например, 7347стаб2.xls.

Выключите генератор Г3-123.

3.5 Вольт-амперная характеристика тиристора

> Соберите цепь по рис. 4-10, используя плату П2. При сборке обратите внимание на то, чтобы общие (корпусные) выводы генератора и АЦП (штекеры чёрного цвета) были подключены к точке «0» (рис. 4-10).

У генератора Г3-123 установите частоту 1000 Гц и напряжение 20 В.

У источника питания Б5-48 установите напряжение 20 В, ток 0,05 А.

Рис. 4-10

Покажите собранную цепь преподавателю.

Включите генератор Г3-123 и источник питания Б5-48.

В окне программы L-micro на правой панели установите:
Каналы - 2; Частота - 100 кГц.

На верхней панели установите: MYK1 = 1; MYK2 = 1; MX = 1.

Щёлкните по кнопке СТАРТ. Через несколько секунд (не менее 1 секунды) щёлкните по кнопке СТОП.

Наблюдайте временную зависимость и покажите её преподавателю.

Сохраните полученные данные. Для этого щёлкните Файл Экспорт. Выберите папку: C:\DATA\

Впишите имя файла: <номер группы> (например, <7347тир.xls>).

Щёлкните СОХРАНИТЬ. Щёлкните ЗАКРЫТЬ.

Выключите генератор Г3-123 и источник питания Б5-48.

3.6 Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

Соберите цепь по рис. 4-11, используя плату П2. При сборке обратите внимание на то, чтобы общие (корпусные) выводы генератора и АЦП (штекеры чёрного цвета) были подключены к точке «0» (рис. 4-11).

У генератора Г3-123 установите частоту 1000 Гц и напряжение 10 В.

У источника питания Б5-48 установите напряжение 0 В, ток 0,01 А.

Рис. 4-11

Покажите собранную цепь преподавателю.

Включите генератор Г3-123 и источник питания Б5-48.

В окне программы L-micro на правой панели установите:

Каналы - 2; Частота - 100 кГц.

На верхней панели установите: MYK1 = 1; MYK2 = 1; MX = 1.

Щёлкните по кнопке СТАРТ. Через несколько секунд (не менее 1 секунды) щёлкните по кнопке СТОП.

Наблюдайте временную зависимость и покажите её преподавателю.

Сохраните полученные данные. Для этого щёлкните Файл Экспорт. Выберите папку: C:\DATA\

Впишите имя файла: <номер группы> (например, <7347тр0.xls>).

Щёлкните СОХРАНИТЬ. Щёлкните ЗАКРЫТЬ.

> У источника питания Б5-48 установите напряжение 1 В. Повторите измерения. Сохраните полученные данные в файл с именем, например, 7347тр1.xls.

> Повторите измерения для напряжений 2, 3, 4 и 5 В. Сохраняйте полученные данные в файлы с различными именами.

Выключите генератор Г3-123 и источник питания Б5-48. Выключите стенд кнопкой 5 ВЫКЛ (см. рис. 2-1).

Полученные файлы имеют размер в несколько МБ и не помещаются на дискету в 1,4 МБ. Уменьшить размер файла можно двумя способами. Во-первых, файл содержит данные по 65535 измерениям. Для дальнейшей обработки можно оставить не менее 100 строк, а остальные удалить.

Во-вторых, файл можно запаковать. Для этого щёлкните правой кнопкой мыши по запаковываемому файлу и выберите: ДОБАВИТЬ В АРХИВ. В появившемся окне выберите: СОЗДАТЬ SFX АРХИВ и нажмите: ОК. В папке C:\DATA\ будет создан самораспаковывающийся архивный файл с тем же именем, но с расширением exe. Для распаковки надо просто запустите этот файл, предварительно переместив его с дискеты на жёсткий диск.

3.7 Обработка результатов измерений

Номиналы элементов схем: R2 = 12 кОм; R8 = 2,2 кОм; R9 = 200 Ом; D1 - КВ105В; D2 - Д845В; D3 - КС182А; D4 - 2Н102А; Т - 2Т602Б.

Во время экспериментов были измерены напряжения U1 = UВХ (столбец В) и U2 = UD (столбец С). Надо построить графики: ID = f (UD).

При построении графиков надо воспользоваться макросами. Для примера воспользуемся данными для тиристора (файл «7347тир.xls»). Загрузите файл «7347тир.xls» в EXCEL. В файловом меню EXCEL-я выберите: СЕРВИС МАКРОС РЕДАКТОР VISUL BASIC. В файловом меню BASIC-а выберите: INSERT MODULE.

В открывшемся окне запишите макрос:

Sub Macros1() ' имя модуля

Dim u1, u2, u3, i1 As Single ' задаём переменные

Sheets("7347тир").Select ' переходим на лист «7347тир»

Cells(1, 5) = "Ud, B" ' заголовок столбца 5

Cells(1, 6) = "Id, мА" ' заголовок столбца 6

For n = 2 To 101 ' задаём цикл по 100 строкам

u1 = Cells(n, 2) ' число из строки n, столбца 2 передаём в u1

u2 = Cells(n, 3) ' число из строки n, столбца 3 передаём в u2

u1 = u1 * 100 ' масштабируем u1

u2 = u2 * 100 ' масштабируем u2

u3 = u1 - u2 ' напряжение U R8

i1 = u3 / 2.2 ' ток Id (в резисторе R8=2,2 кОм) (мА)

Cells(n, 5) = u1 ' число из u1 передаём в строку n, столбца 5

Cells(n, 6) = i1 ' число из i1 передаём в строку n, столбца 6

Next n ' конец цикла

End Sub ' конец программы

> Нажмите клавишу F5. Если появится окно, щёлкните ОК.

На листе «7347тир» будут созданы дополнительно 2 столбца с данными.

> Выделите в столбцах E и F строки от 1-й по 101-ую включительно.

> В файловом меню EXCEL-я щёлкните ВСТАВКА, затем ДИАГРАММА...

> В окне мастера диаграмм выберите:

> Тип: ТОЧЕЧНАЯ.

> Вид: СГЛАЖЕННАЯ БЕЗ МАРКЕРОВ.

> Щёлкните: ДАЛЕЕ и ещё раз ДАЛЕЕ.

> На закладке ЗАГОЛОВКИ укажите название графика, например: «ВАХ тиристора», обозначьте ось x, например, Ud, В и ось y, например, Id, мА.

> На закладке ЛИНИИ СЕТКИ отметьте ОСНОВНЫЕ ЛИНИИ по обеим осям.

> На закладке ЛЕГЕНДА снимите галочку. Щёлкните: ГОТОВО.

> На появившемся графике дважды щёлкните мышью по серому фону. В появившемся окне выберите: Заливка - прозрачная. Щёлкните ОК.

> На графике дважды щёлкните мышью по синей кривой графика. В появившемся окне выберите: толщина - выберите самую большую. Щёлкните ОК.

График готов!

Повторите построение графика для остальных исследованных полупроводниковых приборов.

3.8 Содержание отчёта

1. Исследованные схемы (рис. 4-9, 4-10, 4-11).

2. Перечень использованных приборов.

3. Описание эксперимента.

4. Описание обработки данных.

5. Графики экспериментальных ВАХ для пяти полупроводниковых приборов по п.п. 4.3 - 4.6 (в п. 4.6 пять графиков для разных EБ).

6. По экспериментальным данным вычислите динамическое сопротивление диода, стабилитронов и тиристора в рабочей области.

7. По экспериментальным данным вычислите коэффициенты усиления тока и передачи тока для транзистора по выражениям (4-1, 4-2 и 4-3).

3.9 Контрольные вопросы

1. Устройство полупроводникового диода и стабилитрона.

2. Объясните принцип работы полупроводникового диода.

3. Объясните ВАХ диода.

4. Объясните влияние температуры на ВАХ диода и стабилитрона.

5. Чем объясняется наличие обратного тока диода?

6. Чем объясняется наличие прямого напряжения диода?

7. По каким предельным параметрам производят выбор диодов?

8. Для каких целей используют диоды?

9. Чем вызывается электрический и тепловой пробой диода?

10. Каковы последствия электрического и теплового пробоя диода?

11. Объясните принцип работы полупроводникового стабилитрона.

12. Объясните ВАХ стабилитрона.

13. По каким параметрам производят выбор стабилитронов?

14. Для каких целей используют стабилитроны?

15. Устройство полупроводникового тиристора.

16. Объясните принцип работы полупроводникового тиристора.

17. Объясните ВАХ тиристора.

18. Как можно открыть тиристор в прямом направлении?

19. Как можно запереть тиристор?

20. По каким предельным параметрам производят выбор тиристоров?

21. Для каких целей используют тиристоры?

22. Какие типы тиристоров Вы знаете?

23. Что называют током спрямления?

24. Устройство биполярного транзистора.

25. Объясните принцип работы биполярного транзистора.

26. Объясните ВАХ биполярного транзистора.

27. Как можно открыть биполярный транзистор?

28. Как можно запереть биполярный транзистор?

29. По каким предельным параметрам производят выбор транзисторов?

30. Для каких целей используют биполярные транзисторы?

31. Какие типы биполярных транзисторов Вы знаете?

32. Что называют коэффициентом усиления по току?

33. Что называют коэффициентом передачи тока?

34. Какие схемы включения транзисторов Вы знаете?

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕЛИНЕЙНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ

4.1 Краткие теоретические сведения

Основные понятия

Электрическая цепь считается нелинейной, если она содержит нелинейные элементы, т.е. элементы, обладающие нелинейной зависимостью напряжения от протекающего по ним тока. Иными словами, сопротивление нелинейного элемента непостоянно и зависит от проходящего по нему тока.

Различают нелинейные резисторы, нелинейные катушки индуктивности и нелинейные конденсаторы. В данной работе рассматриваются только цепи с нелинейными резисторами (активными сопротивлениями). Нелинейные резисторы делятся на две группы: неуправляемые (с неизменной ВАХ) и управляемые (в которых есть управляющая цепь, для изменения ВАХ основной цепи). Характеристика неуправляемого нелинейного резистора изображается одной кривой. Характеристика основной цепи управляемого нелинейного резистора имеет вид семейства кривых. К неуправляемым нелинейным резисторам относятся: лампа накаливания, электрическая дуга, бареттер, диод, стабилитрон, газотрон и другие элементы. К управляемым нелинейным элементам относятся: электронная лампа, транзистор, тиристор, тиратрон и другие элементы.

ВАХ нелинейных резисторов бывают симметричными и несимметричными. Симметричная ВАХ отвечает условию u(i) = -u(-i). Такую характеристику имеет, например, лампа накаливания (рис. 7-1, а). Большинство нелинейных элементов имеют несимметричную характеристику: диод (рис. 7-1, б), электрическая дуга (рис. 7-1, в), туннельный диод (рис. 7-1, г), стабилитрон и т.д.



Рис. 7-1

Поскольку сопротивление нелинейных резисторов не постоянно, то различают статическое сопротивление и динамическое. Например, в точке А (U0, I0), показанной на рис. 7-2, эти сопротивления равны:

RСТ = ; RД =

Как видно из рисунка, статическое сопротивление характеризуется углом ? секущей линии ОА, а динамическое сопротивление - углом ? касательной линии в точке А.

Рис. 7-2

Расчёт ВАХ нелинейных двухполюсников

Данный метод позволяет получить ВАХ двухполюсника, состоящего из нескольких нелинейных элементов, соединенных последовательно, параллельно или смешанно, если известны характеристики всех элементов.

Параллельное соединение

На рис. 7-3, а показана схема параллельного соединения двух нелинейных резисторов R1 и R2 , а на рис. 7-3, б - их характеристики, кривые 1 и 2 соответственно. Требуется найти ток I0 в цепи.

Для расчета можно использовать первый закон Кирхгофа

I0 = I1 + I2 ,

а также учесть, что при параллельном соединении, напряжения на всех элементах одинаковые.

По оси абсцисс (рис. 7-3, б) откладываем значение U0 = Е (точка k), и проводим вертикаль. Отрезок km равен току I1 . Отрезок kn равен току I2 . Сумма этих отрезков (отрезок kp ) равна току I0 .

Если повторить построения для разных значений U0, то получим полную ВАХ параллельного соединения (кривая 3).

Рис. 7-3

Последовательное соединение

На рис. 7-4, а показана схема последовательного соединения двух нелинейных резисторов R1 и R2 , а на рис. 7-4, б - их характеристики, кривые 1 и 2 соответственно. Требуется найти ток I0 в цепи.

Сложность расчёта такой цепи состоит в том, что для нахождения тока в цепи нужно иметь значения нелинейных резисторов R1 и R2, а для нахождения этих значений нужно знать ток в цепи. Таким образом, не удаётся решить поставленную задачу напрямую.

Рис. 7-4

Для расчета необходимо построить результирующую ВАХ для обоих резисторов. Надо учесть, что при последовательном соединении ток везде одинаков, а общее напряжение U0 равно сумме (U1 + U2). Поэтому для построения задаемся любым значением тока, например точка k. Через эту точку проводим горизонталь. Отрезок km равен напряжению U1 . Отрезок kn равен напряжению U2 . Их сумма (отрезок kp ) равна суммарному напряжению, поэтому точка p принадлежит результирующей ВАХ. Повторив построение для разных значений тока, получим всю результирующую ВАХ (кривая 3).

...