close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Nefedov Novikova Sukazov Turkin

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки российской федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
РАДИОМАТЕРИАЛЫ И РАДИОКОМПОНЕНТЫ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
Санкт-Петербург
2011
Составители: В. Г. Нефедов, О. Н. Новикова, Э. А. Суказов,
Н. Г. Туркин
Рецензент кандидат технических наук, доцент В. Н. Филатов (ГУАП)
Методические указания содержат рекомендации по выполнению
лабораторных работ, предназначенных для изучения принципов действия и параметров радиоэлектронных компонентов.
Предназначены для студентов всех специальностей, изучающих
дисциплину «Радиоматериалы и радиокомпоненты».
Методические указания подготовлены кафедрой электроники
и оптической связи.
Редактор А. А. Гранаткина
Верстальщик С. В. Барашкова
Сдано в набор 29.06.11. Подписано к печати 05.10.11. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл.-печ. л. 3,84. Уч.-изд. л. 3,44.
Тираж 150 экз. Заказ № 457.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
©Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2011
ВВЕДЕНИЕ
Последовательность выполнения работ описана в пристендовых
инструкциях, находящихся в учебной лаборатории. До выполнения
конкретной лабораторной работы студент должен ознакомиться
с методикой измерений и принципами работы измерительной установки (прибора).
При подготовке к защите лабораторной работы студенту необходимо обратить внимание на следующие общие для всех работ теоретические вопросы:
• физические явления, возникающие в элементах, и математические выражения физических законов, на которых основан вывод расчетных формул;
• эквивалентные схемы и частотные свойства элементов;
• связь между электрическими и конструктивными парамет­
рами этих элементов;
• факторы, ограничивающие предельные параметры элементов;
• пределы изменений значений параметров в реальных элементах.
Правила оформления текстовых документов по ГОСТ 7.32-2001
Изложение текста и оформление работ следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-2001.
1.Текст работ следует печатать, соблюдая следующие правила:
• текст набирается шрифтом Times New Roman кеглем не менее
12, строчным, без выделения, с выравниванием по ширине;
• абзацный отступ должен быть одинаковым и равным по всему тексту 1,27 см;
• строки разделяются полуторным интервалом;
• поля страницы: верхнее и нижнее не менее 20 мм, левое – не
менее 30 мм, правое – не менее 10 мм;
3
• полужирный шрифт не применяется;
• разрешается использовать компьютерные возможности акцентирования внимания на определенных терминах, формулах, теоремах, применяя шрифты разной гарнитуры;
• Введение и Заключение не нумеруются.
2.Основную часть работы следует делить на разделы и под­
разделы:
• разделы и подразделы должны иметь порядковую нумерацию в пределах всего текста за исключением приложений;
• нумеровать их следует арабскими цифрами;
• номер подраздела включает в себя номер раздела и порядковый номер подраздела, разделенные точкой;
• после номера раздела и подраздела в тексте точку не ставят;
• разделы и подразделы должны иметь заголовки;
• заголовки разделов и подразделов следует печатать с абзацного отступа с прописной буквы без точки в конце, не подчеркивая;
• если заголовок состоит из двух предложений, их разделяют
точкой;
• переносы слов в заголовках не допускаются;
3.Нумерация страниц текстовых документов:
• страницы работ следует нумеровать арабскими цифрами, соблюдая сквозную нумерацию по всему тексту;
• титульный лист включают в общую нумерацию страниц работ;
• номер страницы на титульном листе не проставляют;
• номер страницы проставляют в центре нижней части листа
без точки.
Правила оформления отчетов
Отчет выполняется на бумаге формата 297 × 210 мм. Допускается
применять бумагу «в клетку» и использовать обе стороны листа
(включая титульный лист и графики).
Графики строятся на отдельных листах формата отчета. При использовании нелинованной бумаги рекомендуется наложить на
график координатную сетку. Иллюстрации малых размеров размещаются по нескольку на листе. На листах с иллюстрациями допус­
кается помещать таблицы, но не следует размещать иллюстрации
в тексте.
4
Поля страницы: верхнее и нижнее не менее 20 мм, левое – не менее 30 мм, правое – не менее 10 мм. Толщина линий графиков должна составлять 1,5 мм, толщина линий осей координат – 0,5 мм, толщина остальных линий – 0,25 мм. Все линии на графиках должны
быть одного (темного) цвета.
Если на графике приведено несколько функциональных зависимостей, кривые рекомендуется обозначать либо разным начертанием, либо цифрами, либо символами, либо числовыми значениями
параметров, которые должны быть разъяснены в тексте или в подписи к рисунку.
Размерность на графиках ставится в конце оси координат вне
поля графика в виде дроби, в числителе которой приводится обозначение физической величины, а в знаменателе – единица измереæ I U
ö÷
S
ния çç
, ,
. При этом обозначения по оси абсцисс должçè ìÀ  ìÀ × Â-1 ø÷÷
ны располагаться под осью, а по оси ординат – слева от оси. Обозначения в виде наименований величин следует располагать параллельно соответствующим осям. Для оцифровки осей применяется
натуральный ряд чисел 0, 1, 2, 3, …, помноженный на (2 или 4,
или 5) ⋅ 10n, где n = 0, ±1, ±2, ±3, …
При оформлении графического материала для заглавных букв
и цифр используется шрифт 5 мм, для строчных букв – 3,5 мм.
Рисунки должны быть пронумерованы и иметь подписи. Подпись размещается под рисунком. Например: «Рисунок 1. Эквивалентная схема конденсатора».
Принципиальные схемы вычерчиваются в соответствии с требованиями ЕСКД.
Методические указания по подготовке к работам
Процессы, протекающие в любой электрической цепи, всегда сопровождаются следующими тремя явлениями:
• накоплением электрической энергии между участками с неодинаковыми электрическими потенциалами;
• накоплением магнитной энергии в пространстве, окружающем токоведущие части, и в самих токоведущих частях;
• необратимым превращением электрической энергии в тепловую в токоведущих частях и средах, в которых запасается
электрическая и магнитная энергия.
5
Свойство электрической цепи или любого ее участка накапливать электрическую энергию называется электрической емкостью
и обозначается буквой С. Измеряется в фарадах (Ф): 1Ф (фарад) =
106 микрофарад (мкФ) = 1012 пикофарад (пФ).
Свойство цепи накапливать магнитную энергию называется индуктивностью (L), измеряется в генри (Гн): 1 Гн = 103 миллигенри
(мГн) = 106 микрогенри (мкГн) = 109 наногенри (нГн). Один генри
равен индуктивности контура, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 В при равномерном изменении силы тока в этом контуре
на 1 А за 1 с.
Свойство цепи необратимо превращать электрическую энергию
в тепловую называется активным электрическим сопротивлением и обозначается буквой R. Оно измеряется в омах (Ом): 1 Ом =
10–3 килоомов (кОм) = 10–6 мегаомов (МОм).
Участок электрической цепи радиоэлектронной аппаратуры,
в котором должна накапливаться только электрическая энергия,
называется емкостным элементом (конденсатор, варикап и др.).
Участок электрической цепи, в котором должна накапливаться
только магнитная энергия, называется индуктивным элементом
(катушка индуктивности, короткозамкнутый отрезок коаксиального кабеля и др.). Элемент, в котором должно происходить только
необратимое превращение электрической энергии в тепловую, называется резистивным элементом (резистор, магниторезистор и др.).
Любой реальный емкостный элемент, будучи частью электрической цепи, обладает некоторой индуктивностью и активным сопротивлением, резистивный элемент – емкостью и индуктивностью,
индуктивный элемент – активным сопротивлением и емкостью.
Влияние побочных (паразитных) параметров на работу базового
элемента выявляется путем анализа эквивалентных схем. В дальнейшем будем полагать, что геометрические размеры рассматриваемых элементов настолько малы по сравнению с длиной волны, что
при расчете их активных сопротивлений излучением электромагнитной энергии можно пренебречь.
6
1. Конденсаторы
Емкостью C называется отношение сообщенного конденсатору
заряда q к возникающей в результате этого между обкладками разности потенциалов U
C = q U. (1.1)
Она характеризует способность конденсатора накапливать электрические заряды.
Конденсатор – это электрорадиоэлемент, способный накапливать и быстро отдавать электрическую энергию. Для плоского
конденсатора, состоящего из двух металлических электродов
(обкладок) и диэлектрика между ними, емкость определяют по
формуле
C=
ε0εS
,
d
(1.2)
где ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, e0 = 8,86 ⋅ 10–12 Ф/м;
e – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
S – площадь электрода; d – толщина диэлектрика.
Величина емкости зависит от размеров, формы и взаимного расположения электродов, а также способности диэлектрика к поляризации.
Конденсаторы делятся на два основных класса: с постоянной емкости и переменной емкости (КПЕ). Они существенно различаются по назначению, параметрам и конструкции, хотя и обладают
многими общими характеристиками.
Конденсаторы обоих классов используются в радиоэлектронной
аппаратуре (РЭА) для настройки колебательных контуров, изменения емкостной связи между отдельными участками электрической
цепи, балансировки емкостных мостов, плавного изменения емкости по заданному закону в измерительной технике.
Изменения емкости конденсатора можно достигнуть двумя способами: механическим (изменяя S и d) и электрическим (изменяя d
и e). Конденсаторы с изменением e называются варикондами, а с электрическим управлением d (в полупроводниковых диодах) – варикапами.
Конденсаторы переменой емкости с механическим управлением
обеспечивают реализацию заданных законов изменения емкости
при перемещении пластин, получение широкого диапазона изменения емкости и большой добротности, повышенных рабочих напря7
жений и малых значений температурного коэффициента емкости
(ТКЕ), независимость величины емкости от приложенного напряжения.
По закону изменения емкости различают прямоемкостные, прямоволновые, прямочастотные и логарифмические КПЕ.
Наибольшее распространение находят КПЕ с воздушным ди­
электриком, вращательным движением и плоскими электродами.
Конструктивно такой конденсатор представляет собой две системы
плоских пластин: неподвижную (статор) и подвижную (ротор), расположенную таким образом, что при вращении ротора его пластины входят в зазоры между пластинами статора. Роторные пластины крепятся на оси. Токосъем обеспечивает электрическое соединение ротора конденсатора со схемой. Статорные пластины крепятся
к корпусу КПЕ.
Параметры и характеристики КПЕ
Максимальная емкость конденсатора Cmax не имеет принци­
пиальных ограничений и определяется условиями технического задания.
Минимальная емкость конденсатора Cmin должна быть на порядок больше паразитной емкости той электрической цепи, для которой он предназначен. Такая емкость образуется благодаря емкостям
через изоляторы крепления ротора и статора и емкостям через воздух между их элементами.
Переменную емкость записывают равенством
Cïåð = Cmax - Cmin .
Коэффициент перекрытия имеет вид
K=
Cmax fðåç max l ðåç max
=
=
,
Cmin
fðåç min
l ðåç min
где fрез max и fрез min – максимальная и минимальная резонансные
частоты колебательного контура; lрез max и lрез min – максимальная
и минимальная длины волн электромагнитной волны, соответствующие резонансным частотам.
Номинальное напряжение КПЕ Uном – постоянное напряжение, находясь под которым конденсатор может нормально рабо8
©È­
тать в течение всего срока служ-
бы при нормальных условиях
эксплуатации. Величина Uном зависит от расстояния между пластинами и свойств материа- ла диэлектрика.
Функциональная характери- стика конденсатора переменной емкости – зависимость Спер
от угла поворота роторных пла¼É¹½
стин j. Конденсаторы переменÈÉØÅÇйÊËÇËÆÔÂ
ной емкости могут иметь пряÈÉØÅÇ»ÇÄÆÇ»ÇÂ
ÈÉØÅǾÅÃÇÊËÆÔÂ
моемкостную, прямоволновую,
прямочастотную, логарифмиче- Рис. 1.1. Функциональные характеристики КПЕ
скую или специальную характеристику (рис. 1.1).
При использовании конденсаторов переменной емкости в колебательных контурах важной является зависимость резонансной частоты контура от угла поворота.
Прямоемкостные конденсаторы имеют линейную зависимость
емкости от угла поворота j:
Ñ = aj + b,
где a = (Cmax – Cmin)/180°; b = Cmin.
Эти конденсаторы имеют равномерную шкалу емкости, что облегчает градуировку. Поэтому их используют в основном в измерительной технике. Для настройки контуров такие конденсаторы применять нецелесообразно, так как плотность ее неравномерна (изменение частоты, приходящееся на единицу перемещения указателя
шкалы настройки). Абсолютная погрешность отсчета емкости по
шкале прямоемкостного конденсатора постоянна в пределах всей
шкалы, а относительная непостоянна и достигает наибольших значений в начале шкалы.
Прямочастотные конденсаторы обеспечивают линейное изменение частоты контура и постоянную плотность настройки по диапазону:
fðåç = aj + b, (1.3)
где a = (fрез max – fрез min)/180°; b = fрез min.
9
Зависимость емкости от угла поворота для такого конденсатора
можно получить, подставив выражение для резонансной частоты
контура
1
f=
2
p
LC
в выражение (1.3). После преобразования получим
2
æ
K -1 ÷ö
C = Cmax çç1 +
j
,
÷
çè
180o ÷ø
Cmax fðåç max
=
– коэффициент перекрытия.
Cmin
fðåç min
Для прямочастотных конденсаторов увеличение угла поворота j,
соответствующее увеличению частоты контура fрез, сопровождается
уменьшением емкости конденсатора. Это конденсаторы с прямым
вращением. Конденсаторы, у которых при увеличении угла поворота
емкость возрастает, а частота контура убывает, называются конденсаторами с обратным вращением и записываются соотношением
2
éæ
öù
K -1
C = Cmax êççç1 +
(p - j)÷÷÷ú .
êëè
øúû
180°
Прямочастотные конденсаторы имеют равномерную шкалу, выраженную в единицах частоты, и используются для перестройки
резонансных контуров. Абсолютная погрешность отсчета резонансной частоты постоянна в пределах всей шкалы конденсатора. Относительная погрешность непостоянна и достигает наибольших
значений при минимальной величине емкости.
Прямоволновые конденсаторы обеспечивают линейное изменение длины волны, соответствующей резонансной частоте контура,
от угла поворота:
(1.4)
l ðåç = aj + b, где K =
где a = (lрез max – lрез min)/180°; b = lрез min.
Функциональную зависимость емкости от угла поворота получаем
после подстановки в (1.4) выражения для резонансной длины волны
l ðåç = 2pv LCðåç ,
где v – скорость распространения электромагнитной волны:
2
æ
K -1 ö÷
C = Cmin ççç1 +
j÷÷ ,
è
180° ø
где K = lрез max / lрез min.
10
Прямоволновой конденсатор имеет равномерную шкалу, выраженную в единицах длин волн, и используется для перестройки резонансных
контуров радиоприемных устройств.
Эквивалентная электрическая схема КПЕ представлена на рис. 1.2.
Емкость конденсатора определяется суммой емкостей:
3ËÊ
-$
3È
©È¾É
$NJO
3ÁÀ
Рис. 1.2. Эквивалентная схема
КПЕ с механическим управлением
Ñ = Ñïåð + Ñmin .
На рис. 1.2 Rп – эквивалентное сопротивление потерь, определяемое потерями в диэлектрике (диэлектрические потери) и омическими
потерями в металлических электродах конденсатора. Переходное сопротивление токосъема Rтс зависит как от конструкции токосъема,
так и от условий эксплуатации конденсатора. Обычно Ròñ  Rï и не
влияет на добротность. Сопротивление Rтс = 0,01…0,02 Ом.
Непостоянство Rтс вызывает большие уровни шумов (2…6 мкВ)
в цепях, где используется КПЕ. Сопротивление изоляции Rиз между
выводами в обычных конденсаторах соответствует величине порядка 109…1010 Ом. Индуктивность конденсатора LC определяется его
конструкцией и имеет очень малое значение (0,01…0,05) мкГ.
Добротность конденсатора зависит в основном от эквивалентного сопротивления потерь Rп:
1
QC =
Rï wÑ
или
1
,
QC =
tg
d
где tg d – тангенс угла, дополняющего угол сдвига фаз между током
и напряжением до 90°. Угол d называется углом потерь.
Величина tg d, а следовательно, и добротность QC КПЕ определяются потерями в изоляционных элементах конструкции, а на частотах 200…500 МГц – и потерями в металлических частях электродов.
Обычно величина добротности КПЕ находится в пределах от 500 до
5000. Добротность конденсатора при изменении емкости меняется.
На низких частотах добротность увеличивается с возрастанием емкости, на высоких частотах зависимость добротности от Cпер обычно
имеет максимум.
11
Добротность конденсатора существенно (от 2 до 15 раз) меняется
от влажности и температуры. Конденсатор, обладая высокой доб­
ротностью, не оказывает существенного влияния на добротность
контура, которая определяется в основном более низкой добротностью катушки.
В процессе эксплуатации конденсаторы подвергаются воздействию различных дестабилизирующих факторов: температуры,
влажности, механических нагрузок (вибрации ударов) и т. п. В результате емкость конденсатора изменяется. Эти изменения несущественны для конденсаторов, работающих в качестве фильтрующих
и блокировочных, а также применяемых в контурах, не задающих
частоту, но они нежелательны, а в ряде случаев и вообще недопустимы для конденсаторов, используемых в контурах, задающих частоту генераторов и гетеродинов. Поэтому вопросам стабильности уделяется особое внимание.
Температурная стабильность КПЕ характеризуется температурным коэффициентом емкости (ТКЕ). Так как емкость конденсатора состоит из Сmin и Cпер, то общий ТКЕ определяется ТКЕ каждой
составляющей. Емкость Сmin складывается из емкости через изоляторы крепления ротора и статора и емкости через воздух между их
элементами. Емкость через изоляторы лежит в пределах 0,5…1,0 пФ
(10…20 % от Сmin). Для ее снижения используют материалы с малым температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости, например, плавленый кварц, ультрафарфор, высокочастотный стеатит.
Наибольший вклад в общий температурный коэффициент емкости вносит ТКЕ Cпер. Из формулы (1.1) видно, что ТКЕ должен зависеть от температурных изменений диэлектрической проницаемости
материала диэлектрика, площади пластин и зазора между ними.
Два последних слагаемых определяются тепловым расширением пластин и элементов конструкции конденсатора, фиксирующих величину
зазора, изменения площади пластин в результате теплового расширения и смещения ротора конденсатора в радиальном направлении.
Для снижения ТКЕ детали конденсатора изготовляют из ма­
териалов с малым значением коэффициента линейного расширения: инвара и керамики. При правильном подборе разнородных
материалов возможно снижение ТКЕ вследствие самокомпенсации.
В большинстве случаев суммарный ТКЕ = (200…300) ⋅ 10–6 1/°C.
Для КПЕ с повышенной температурной стабильностью ТКЕ =
(5…10) ⋅ 10–6 1/°C.
12
Устойчивость при механических воздействиях и влажности
определяется конструкцией конденсатора. При работе конденсаторов на подвижных объектах под влиянием вибрации и ударов происходят изгибы пластин статора и ротора, прогибы осей и деформация других элементов конструкции, фиксирующих положение этих
ротора и статора.
Виброустойчивость конденсатора определяется его конструкцией – размером и массой ротора и статора, способами крепления,
применяемыми материалами, величиной зазоров и возможностью
точной сборки. Для снижения деформации пластин ротора они
должны иметь меньший радиус и большую толщину. В специальных конденсаторах относительное изменение емкости при вибрации может составлять 0,01…0,1 %, а в конденсаторах общего применения – до 1 % и более.
При увеличении влажности окружающего воздуха изменяются
его диэлектрическая проницаемость и ТКЕ. У конденсаторов с воздушным диэлектриком при увеличении влажности воздуха возрастает емкость, заметно снижаются пробивное напряжение и добротность и увеличивается ТКЕ. Изменения параметров КПЕ при 98 %
влажности недопустимо ухудшают параметры радиоэлектронной
аппаратуры. Для защиты КПЕ от действия влаги их помещают
в герметизированный корпус.
Полупроводниковый конденсатор, емкость которого зависит от
приложенного к его обкладкам напряжения, есть варикап. Диэлектриком конденсатора является обедненный носителями заряда слой
p–n-перехода, а обкладками – прилегающие к нему проводящие
объемы кристалла полупроводника. Толщина обедненного основными носителями слоя p–n-перехода определяется формулой
d=
2εε0 (Na + Nd )(jê ± U )
,
qNa Nd
(1.5)
где Na, Nd – концентрации акцепторной и донорной примесей; jк –
контактная разность потенциалов; U – внешнее напряжение, приложенное к p–n-переходу («+» – обратное, «–» – прямое включение);
q – заряд электрона.
Таким образом, толщина обедненного основными носителями
слоя пропорциональна (jк ± U)1/2 и при обратном включении увеличивается с увеличением U. Рассматривая обедненный слой как ди­
электрик, заключенный между слоями полупроводников с достаточно высокой проводимостью и играющих роль обкладок, получаем
13
конденсатор, управляемый электрическим полем. При этом с изменением U изменяется расстояние между обкладками d.
В варикапе одна область полупроводника обычно легирована
больше другой (например, Na  Nd ). Тогда формула (1.5) упрощается. Это означает, что обедненный слой целиком располагается в слаболегированном полупроводнике (d ≈ dn):
d=
2εε0 (jê ± U )
= dn , qNd
(1.6)
в то время как в сильнолегированном полупроводнике обедненная
область очень мала (dp ≈ 0). Подставив выражение (1.6) в формулу
плоского конденсатора (1.2), получим формулу для барьерной емкости варикапа:
Cá = S
εε0qNd
.
2(jê ± U )
Здесь S – площадь p–n-перехода. Вольт-фарадная характеристика варикапа Cб = f(Uобр) приведена на рис. 1.3.
На рис. 1.4 показана структура варикапа на основе p–n-перехода.
База диода состоит из низкоомной (n+) и высокоомной (n) областей
(знак «+» указывает на повышенную концентрацию примесей).
Низкоомная часть базы играет роль обкладки, а высокоомная часть
непосредственно примыкает к низкоомной области (p+), являющейся второй обкладкой. Поэтому p–n-переход образуется между областями p+ и n и располагается в слаболегированной области n.
Основными параметрами варикапа являются Cб – номинальная
емкость, измеренная при заданном обратном напряжении; КС – коэффициент перекрытия по частоте, равный отношению емкостей
варикапа при двух заданных обратных напряжениях; Qв – доброт$º
Q
6ǺÉ
O
Рис. 1.3. Вольт-фарадная характеристика варикапа
14
O
Рис. 1.4. Структура варикапа
ность варикапа, равная отношению
его реактивного сопротивления xв
на заданной частоте к сопротивлению потерь r:
x
(1.7)
Qâ = â . r
Зависимость добротности варикапа от частоты можно найти из его
эквивалентной схемы (рис. 1.5).
Полное сопротивление схемы,
изображенной на рис. 1.5,
z = rá +
$º
Sº
SȾÉ
Рис. 1.5. Эквивалентная схема
варикапа
Cб – барьерная емкость перехода; rб –
сопротивление низкоомной облас­
ти; rпер – активное сопротивление
об­едненного слоя
rïåð
1 + jrïåð wCá
.
(1.8)
Подставляя соотношение (1.8) в (1.7), находим выражение для
добротности варикапа:
Qâ =
2
wCárïåð
2
rá + rïåð + rárïåð
w2Cá
.
На низких частотах rá  1 (wÑá ) (отношение rб/rпер ≈ 10–7 для реальных варикапов), поэтому добротность варикапа определяется
соотношением
Qâ = rïåð wCá .
На высоких частотах rïåð  1 (wÑá ), поэтому добротность его
равна
2»
1
Qâ =
.
2NBY
wrá Câ
2 NJO
Æ
 ÇÈË
»

Рис. 1.6. Зависимость добротности варикапа от частоты
Qmax, Qmin – максимальная и минимальная добротности; wн, wв, wопт –
низкая, высокая и оптимальная частоты
Зависимость добротности варикапа от частоты приведена на рис. 1.6.
Стабильность характеристик варикапа зависит от температурных коэффициентов емкости и его
добротности, (TKE ≈ (100…200) ×
10–6 1/ °C).
Германиевые варикапы работают
при температурах не выше +60 °С,
кремниевые – при температурах не
выше +150 °С.
15
Емкость обычно изменяется от 90…250 до 6…40 пФ при изменении напряжения на p–n-переходе от 0,1 до 25…130 В.
Благодаря малым размерам, высокой добротности (50…100) и стабильности, а также значительному изменению емкости при изменении напряжения варикапы нашли широкое применение в аппаратуре для настройки контуров и фильтров, в качестве элементов
управления генераторов и т. п.
Контрольные вопросы
1.Что такое емкость? Назвать единицы измерения емкости.
2. По каким характеристикам можно определить принадлежность данного двухполюсника к емкостному элементу?
3.Какова эквивалентная схема КПЕ? Что представляет собой
каждый элемент этой схемы и на что он влияет?
4.Какие факторы ограничивают диапазон рабочих частот конденсатора?
5.Что такое добротность конденсатора?
6. По каким признакам классифицируются КПЕ?
7.Каковы основные параметры конденсаторов переменной емкости?
8.Каковы факторы, влияющие на стабильность емкости конденсатора, пути повышения стабильности?
9.В чем состоит принцип работы варикапа?
10.Каковы параметры варикапа?
11.Что представляет собой зависимость емкости варикапа от
управляющего напряжения?
12.Какова зависимость емкости варикапа от частоты?
13.Какова добротность варикапа? Установить зависимость добротности от частоты и напряжения?
Литература
1. Батушев В. А. Электронные приборы. М.: Высшая школа, 1980. 383 с.
2. Жеребцов И. П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.
3. Петров К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учеб.
пособие. СПб.: Питер, 2003. 512 с.
16
2. Катушки индуктивности
По закону электромагнитной индукции электродвижущая сила,
возникающая в одиночном контуре, равна скорости изменения потока сцепления y, взятой со знаком «–»:
dy
E=.
dt
Так как y = LI, где I – ток в контуре, закон Ома для индуктивности (при L = const) устанавливается в виде
dI
U = -E = L .
dt
Индуктивность кольцевой катушки с сердечником может быть
определена по приближенной формуле
L»
µ0µN 2S
,
lñð
где µ0 = 4p ⋅ 10–3 мкГн/см – магнитная постоянная; µ – относительная магнитная проницаемость сердечника; N – число витков обмотки; S – площадь сечения сердечника, перпендикулярная магнитным силовым линиям, см2; lср – средняя длина магнитных силовых
линий в сердечнике, см.
Если в катушке индуктивности используется сердечник с относительной магнитной проницаемостью µ > 1, то для получения той
же индуктивности (что и при сердечнике с µ = 1) число витков N следует уменьшить в µ раз по сравнению с катушкой без сердечника.
Если число витков N оставить прежним, то объем катушки V = Slср
можно уменьшить приблизительно в µ раз. Чем больше значение µ,
тем большая величина потерь вносится в катушку индуктивности.
Добротность катушки индуктивности определяется отношением
Q=
Pðåàêò
Pà
=
wL
,
r
где Pреакт – реактивная мощность, накопленная в катушке индуктивности; Pa – мощность потерь; r – сопротивление потерь; ω – круговая частота.
Основными составляющими сопротивления потерь являются сопротивление, определяемое поверхностным эффектом, сопротивление, обусловленное эффектом близости, сопротивление потерь, вносимых экраном, и сопротивление потерь в магнитном сердечнике.
17
Переменный ток в отличие от постоянного распределяется по сечению проJ J
водника не равномерно, а по мере возрастания частоты вытесняется к поверхноJ
сти, занимая все более тонкий поверх)
ностный слой. Это явление получило
название поверхностного эффекта.
)
В прямолинейном проводнике круг­
лого
сечения мгновенное направление
Рис. 2.1. К пояснению
поверхностного эффекта
основного переменного тока i1 показано
стрелкой (рис. 2.1). Линии магнитного
поля H1, возбуждаемого этим током, имеют вид концентрических
окружностей и направлены по часовой стрелке. Такое поле, пронизывая проводник, возбуждает в нем индукционный ток i2, который
создает вторичное магнитное поле H2, направленное противоположно основному. Рассматривая лишь правую часть сечения провода,
легко определить, что линии этого поля направлены снизу вверх.
По направлению силовых линий вторичного поля H2 можно установить путь циркуляции и направление вызывающего его тока i2.
Это направление показано на рис. 2.1 пунктиром. Сравнивая направление тока i2 в разных частях сечения проводника с направлением основного тока i1, можно заключить, что в наружных слоях
проводника эти направления совпадают, а во внутренних они противоположны. Поэтому плотность тока в наружных слоях провод­
ника возрастает, а во внутренних – уменьшается.
Сущность поверхностного эффекта заключается в том, что токи,
индуцируемые магнитным полем катушки, внутри проводника
противофазны основному току и компенсируют его, а в областях,
прилегающих к поверхности, – синфазны. С увеличением частоты
согласно закону электромагнитной индукции эта компонента усиливается. При удалении от поверхности проводника плотность тока
уменьшается примерно по экспоненциальному закону. Для простоты будем считать, что ток протекает по тонкому слою, называемому
эффективной глубиной проникновения. Для немагнитных материалов эффективная глубина проникновения
ρýô = 0,5 ρ f ,
где ρ – удельное сопротивление проводника; f – частота.
На близко расположенных друг к другу участках проводника
распределение тока по его сечению зависит от направления токов.
18
При одинаковом направлении токов S
ток оттесняется к более удаленным сеS
чениям проводников. При сворачиваSºÄÁÀ
нии проводника в виток по противоположным участкам данного проводника
протекают токи в противоположном
SÈÇ»
направлении, и соответственно происходит вытеснение тока во внутреннюю
EÇÈË
E
часть витка. Такой эффект называется эффектом близости. При этом уменьРис. 2.2. Зависимость
составляющих активного
шается эффективное поперечное сечекатушки от
ние проводника и увеличивается его сопротивления
диаметра провода
сопротивление, причем большему диаметру провода при фиксированном диаметре витка соответствует
большее сопротивление проводника в результате добавки, обусловленной эффектом близости.
На рис. 2.2 изображены зависимости составляющих потерь в токопроводе от диаметра провода, обусловленных поверхностным эффектом rпов и эффектом близости rблиз при фиксированном диаметре витка катушки, rΣ — суммарные потери.
Собственная емкость катушки индуктивности Ссоб определяет
частоту параллельного паразитного резонанса и является основным
фактором, ограничивающим диапаS
зон рабочих частот катушки сверху.
Собственная емкость однослойной
катушки прямо пропорциональна
$悼
ee радиусу, зависит от шага намотки и практически не зависит от чисРис. 2.3. Эквивалентная схема
ла витков.
катушки индуктивности
Физически реальная эквивалентная схема катушки индуктивности может быть представлена в виде
параллельного контура с потерями (рис. 2.3).
Экраны катушек. Электромагнитные экраны предназначены
для локализации в некотором объеме пространства полей, создаваемых излучателями электромагнитной энергии, с целью исключения влияния этих полей на катушку индуктивности и уменьшения
паразитных связей, обусловленных полем рассеяния катушки на
чувствительные элементы радиоэлектронной аппаратуры. С этой
целью катушки располагают внутри замкнутого металлического
заземленного экрана.
19
В зависимости от преобладания того или иного вида полей различают три вида экранирования: электростатическое, магнитостатическое и электромагнитное. Электростатическое экранирование
предназначено для устранения влияния постоянного или медленно
изменяющегося электрического поля и связано с отсутствием его
внутри проводника, находящегося во внешнем электрическом поле.
Если внутрь такого проводника поместить устройство, подверженное влиянию электростатического поля, то это влияние можно исключить. Электростатические экраны применяют в случае, когда
хотят устранить емкостную связь между катушками, не влияя на
индуктивную связь.
Магнитостатическое экранирование основано на замыкании
магнитного поля в толще экрана вследствие его большей магнитопроводности по сравнению с окружающим пространством.
Электромагнитное экранирование основано на использовании
вихревых токов, образующихся в стенках экрана. Такое экранирование ослабляет как электрические, так и магнитные переменные
поля. Оно возможно при использовании металлических материалов
с высокой электропроводностью (медь, алюминий, латунь и др.).
Экранирующее действие характеризуется отношением напряженности внешнего поля катушки при наличии экрана к напряженности поля при его отсутствии. Для рядовых экранов это отношение составляет ~0,01…0,05. Под влиянием экрана изменяются
все радиотехнические параметры катушки: уменьшаются ее индуктивность и добротность, увеличиваются сопротивление потерь и собственная емкость. Поэтому экраны стабильных катушек изготавливают из материалов с малым температурным коэффициентом линейного расширения, например, инвара или омедненной керамики.
Влияние экрана на параметры катушки тем сильнее, чем ближе
его стенки расположены к катушке. Для обычных катушек соотношение между диаметром экрана и катушки выбирают в пределах
1,6…2,5, а для стабильных – более 2,5. На частотах около 100 МГц
и выше возможно применение фольговых экранов. Такие экраны
изготавливают из фольги толщиной 0,01…0,05 мм, как правило, из
алюминия и меди. Для увеличения жесткости конструкции фольга
обычно наклеивается на какое-либо диэлектрическое основание.
Обычно экранируют катушки, диаметр которых не менее 15…20 мм.
Если диаметр катушки не превышает 4…5 мм, то при удалении ее от
других деталей на расстояние 15…20 мм опасных связей не возникает и специального экранирования не требуется.
20
Сердечники катушек индуктивности могут быть выполнены из
магнитного и немагнитного материала. Магнитные сердечники
применяют для уменьшения размеров катушки и регулирования
индуктивности. Индуктивность катушки с сердечником может
быть определена по приближенной формуле
Lñåðä = µL,
где µ – относительная магнитная проницаемость сердечника; L –
индуктивность катушки без сердечника.
Магнитные сердечники катушек индуктивности изготавливают
из магнитодиэлектриков или ферритов. Магнитодиэлектрики представляют собой композиционный материал, состоящий из фер­
ромагнитного порошка, частицы которого связаны между собой
каким-либо диэлектриком. В качестве ферромагнетика применяют
альсифер (сплав алюминия, кремния и железа), карбонильное железо (технически чистое железо с примесями углерода, азота и кислорода) и пермаллой (сплавы железа с никелем). Диаметр зерен порошка изменяется в широких пределах (от 1,5 до 120 мкм) и определяет граничную частоту применения магнитодиэлектрика. В качестве связующих веществ используют бакелит, аминопласты, стирол
и др. Достоинством магнитодиэлектриков являются достаточно высокие температурная и временная стабильность, постоянная µ в широком диапазоне частот, малые потери и линейная их зависимость
от частоты, недостатком – невысокая магнитная проницаемость.
Ферриты представляют собой сложные структуры типа окислов.
Наиболее распространены ферриты на основе окислов железа, никеля, марганца и свинца. Ферриты имеют большое удельное электрическое сопротивление (ρ ≈ 1011 Ом ⋅ см) и по электрическим свойствам относятся к полупроводникам и диэлектрикам, что обеспе­
чивает малые потери на вихревые токи даже на очень высоких
частотах.
Начальная диэлектрическая проницаемость ферритов велика
и может достигать нескольких тысяч. С повышением частоты она
резко уменьшается и на СВЧ может составлять 5…10 единиц. Обычно для изготовления катушек индуктивности используют никельцинковые, марганец-цинковые и литий-цинковые ферриты. Основным достоинством ферритов является их высокая начальная магнитная проницаемость, позволяющая существенно уменьшить габаритные размеры катушек. К недостаткам следует отнести их повышенную температурную нестабильность.
21
Немагнитные сердечники применяют для подстройки индуктивности в KB- и УКВ-диапазонах. Обычно их изготавливают из меди
или латуни. Вследствие высокого уровня вихревых токов, наводящихся в таких сердечниках, индуктивность и добротность катушки
уменьшаются. Для снижения влияния емкостей, вносимого немагнитным сердечником, последний должен быть изолирован от корпуса и токонесущих элементов схемы.
Контрольные вопросы
1.Что собой представляет индуктивность катушки?
2.Что такое добротность катушки?
3.Какова собственная емкость катушки?
4.Что представляет собой сопротивление провода катушки току
высокой частоты, поверхностный эффект, эффект близости?
5.В чем состоит экранирование катушек? Установить влияние
экрана на электрические параметры катушек индуктивности.
6.Что собой представляют магнитные сердечники (классификация, материалы сердечников, влияние магнитных сердечников
на радиотехнические параметры катушек)?
7.Что собой представляют катушки индуктивности с немагнитными сердечниками?
Литература
1. Петров К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника:
Учеб. пособие. СПб.: Питер, 2003. 512 с.
2. Волгов В. А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1977. 656 с.
22
3. Линии задержки
Для задержки на заданное время t произвольной последовательности импульсов без существенного изменения формы применяют
линии задержки.
В общем случае устройство задержки представляет собой четырехполюсник, выходной сигнал которого по форме близок к входному, но задержан относительного него на время t. Требования к линиям задержки основываются на общем условии неискажающей
задержки сигнала. Четырехполюсник, удовлетворяющий таким тре­
бованиям, должен иметь постоянную амплитудно-частотную K(ω)
и линейную фазочастотную j(ω) характеристики, которые можно
записать как
K(w) = const,
(3.1)
j(w) = wt. Вместе с тем реальные четырехполюсники не соответствуют выражениям (3.1) во всем диапазоне частот (0 ≤ ω ≤ ∞), поэтому ограничиваются выполнением этих условий в полосе частот, охватывающей активную ширину спектра сигнала Uвх(t).
Время задержки четырехполюсника можно определить по его
фазочастотной характеристике j(ω) при некоторой частоте ω = ω1.
Тогда задержка четырехполюсника равна
t=
j(w1 )
,
w1
где j(ω1) – угол сдвига фаз между гармоническими колебаниями на
входе и выходе четырехполюсника.
Для задержки электрических импульсов применяют линии задержки следующих типов:
• распределенные (коаксиальные или полосковые);
• с сосредоточенными параметрами (построенные на LC-це­
почках);
• ультразвуковые (волноводные проволочные, волноводные
ленточные, на объемных акустических волнах, на поверхностных акустических волнах);
• электронные (цифровые, на переключаемых конденсаторах).
Распределенные линии задержки с погонной индуктивностью
L1 и погонной емкостью C1 отличаются высокой стабильностью
и широкополосностью. Волновое сопротивление такой линии W не
23
зависит от частоты, является чисто активным и определяется только реактивными параметрами линии по формуле
W=
L0
,
C0
где L0 = lL1 – суммарная индуктивность; C0 = lC1 – суммарная емкость; l – длина линии.
Задержку сигнала t определяют по формуле
t = L0C0 .
Непременным условием работы такой линии задержки является
согласование ее сопротивлений на входе и выходе. Линии задержки
с сосредоточенными параметрами, построенные на LC-цепочках,
искажают форму импульсных сигналов.
Ультразвуковые линии задержки также применяются для задержки электрических сигналов. Частотный диапазон таких линий
задержки определяется частотными свойствами преобразователей
электрических колебаний в акустические, звукопровода и пре­
образователей акустических колебаний в электрические. Ширина
полосы пропускания такой линии задержки существенно зависит
от степени согласования акустических волновых сопротивлений
звукопровода и преобразователей. Ультразвуковые линии задержки обеспечивают полосу пропускания не более 10 МГц и высокую
стабильность времени задержки. Допустимая нестабильность времени задержки t не превышает долей процента, но для этого необходимо применять термостатирование конструкции линии задержки
или термостабильные материалы.
Акустические устройства для задержки электрических сигналов
на время от долей микросекунд до десятков миллисекунд основаны
на использовании относительно малой скорости распространения
упругих волн. Линии задержки называются ультразвуковыми
(УЛЗ) при работе на частотах от единиц до сотен мегагерц.
Линии задержки применяются в качестве устройств акустоэлектроники для обработки сигналов в разных областях электронной
техники (радиолокационная аппаратура, телевидение, устройства
связи и др.). Известны также акустооптические линии задержки,
в которых для обнаружения сигнала на выходе используется взаимодействие упругих волн со световым пучком.
Линии задержки состоят из трех основных элементов (рис. 3.1):
входного 1 и выходного 2 электроакустических преобразователей,
24
 ›Îǽ
›ÔÎǽ
Рис. 3.1. Ультразвуковая линия задержки
трансформирующих электрические колебания в упругие на входе
линии задержки и упругие колебания в электрические на ее выходе, и звукопровода 3, механически связанного с преобразователями, в котором распространяются упругие волны. Так как скорость
распространения последних примерно в 105 раз меньше скорости
распространения электрических волн, время их распространения
в звукопроводе и определяет время задержки сигнала.
В качестве преобразователей в УЛЗ используются преимущественно пластины из монокристаллов пьезоэлектриков, пьезокерамика.
В некоторых случаях применяются магнитострикционные преобразователи. Звукопроводом УЛЗ служит твердая среда, в которой упругие волны распространяются с относительно малыми потерями.
Основные параметры линий задержки:
• время задержки t зависит от длины пути, проходимого упругой волной в звукопроводе;
• рабочая частота f0 определяется преимущественно резонансной частотой преобразователей;
• относительная полоса пропускания Df/f0 зависит в основном от добротности преобразователей;
• потери D, вносимые линией задержки, величина которых
складывается из потерь на двукратное электромеханическое
преобразование на входе и выходе и потерь при распространении упругих волн в звукопроводе;
• уровень ложных сигналов, т. е. сигналов, приходящих на выход линии задержки со временем задержки, отличающимся
от заданного; он оценивается как отношение амплитуды
ложного сигнала к амплитуде основного.
В зависимости от назначения линии задержки могут рассматриваться и такие параметры, как температурный коэффициент задержки, зависящий от материала звукопровода и в большинстве
случаев равный от 10–4 до 10–6 1/°C; неравномерность амплитудно25
частотной характеристики, в значительной степени определяемой уровнем
ложных сигналов, и др.
Ультразвуковые линии задержки можно условно разделить на три группы в зависимости от вида используемых упругих
волн и соотношения между длиной волны
l упругих колебаний, распространяющихся в звукопроводе, и его размерами.
Линия задержки на объемных волРис. 3.2. Направления
распространения ультра- нах. К этой группе можно отнести УЛЗ,
звукового пучка в ультрагде объемные волны (продольные или позвуковой линии задержки
перечные) распространяются по звукопроводу, размеры сечения которого существенно превышают длину
волны l. Электроакустическими преобразователями здесь служат
одно-полуволновые пластины из пьезоэлектриков (кристаллический
кварц, ниобат лития и др.). Звукопроводы для них изготавливаются
из плавленого кварца, специального стекла, монокристаллов кварца и
солей NaCl, KC1 и др., а также магниевого сплава. Соответственно эти
УЛЗ называются кварцевыми, стеклянными, монокристаллическими и магниевыми. Увеличение t в пределах заданного размера звукопровода может быть достигнуто за счет многократных отражений
упругих волн на пути от входа до выхода УЛЗ (рис. 3.2). Эти УЛЗ работают в основном на частотах от единиц до 100 МГц и более и обеспечивают время задержки до 3…4 мс. У таких УЛЗ Df/f0 обычно лежит
в пределах от 0,1 до 0,5, и уровень ложных сигналов составляет от –26
до –40 дБ. Вносимые потери D в зависимости от параметров преобразователей длительности задержки и материала звукопровода могут
варьироваться в значительном интервале от 20 до 70 дБ. Применение
таких УЛЗ, особенно магниевых, а частично и УЛЗ на основе солей
монокристаллов, быстро сокращается благодаря развитию микро­
электроники, и, в частности, цифровой техники, позволяющей реализовать широкий диапазон задержек, не прибегая к использованию
сравнительно громоздких акустоэлектронных аналоговых устройств.
Электроакустический преобразователь состоит из пластины пьезоэлектрика (кристаллический кварц, ниобат лития, пьезокерамика
и др.), на поверхность которого нанесены металлические электроды.
Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя приведена на рис. 3.3, где L1 и C1 – динамические параметры, определяющие резонансные свойства преобразователя, R1 – сопротивление, ха-
›Îǽ
26
›ÔÎǽ
$
-
рактеризующее передачу акустиче3
ской энергии от преобразователя
к звукопроводу (или от звукопровода к преобразователю). Сюда же
$
включено сопротивление, характеризующее потери, C0 – емкость элек- Рис. 3.3. Эквивалентная схема
тродов. Для получения резонансной пьезоэлектрического преобразователя
частоты f0 толщина преобразователя d должна быть равна половине длины волны упругих колебаний,
распространяющихся в материале пластины пьезопреобразователя:
c
d= t ,
2f0
где ct – скорость сдвиговых волн в материале преобразователя.
Принцип действия ультразвуковой линии задержки заключается в следующем. Электрический сигнал подается на входной преобразователь. В соответствии с обратным пьезоэффектом в нем возбуждаются акустические колебания, которые передаются в звукопровод, к которому жестко прикреплен пьезопреобразователь. Время распространения акустических волн в звукопроводе определяет
время задержки t. В выходном преобразователе происходит преобразование упругих колебаний в электрический сигнал в соответствии с прямым пьезоэффектом.
Линия задержки на поверхностных акустических волнах. Ультразвуковые линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) получили широкое распространение в качестве микроминиатюрных устройств для обработки сигналов. Ввод и снятие
сигнала в них осуществляются с помощью встречно-штыревых преобразователей, каждый из которых представляет собой решетку
в виде ряда противофазных электродов – параллельных полос
в основном из алюминия, нанесенных на поверхность звукопровода
из пьезоэлектрика (рис. 3.4), например, из кристаллического квар¸
›Îǽ
›ÔÎǽ
¹
›Îǽ
›ÔÎǽ
Рис. 3.4. Схемы ультразвуковых линий задержки на поверхностных волнах с преобразователями в виде эквидистантных (а) и неэквидистантных (б) решеток
27
ца или ниобата лития. Ширина полос (электродов) встречно-шты­
ревых преобразователей и интервалов между ними равна 1/4 длины
волны излучаемых (принимаемых) ПАВ.
Известны также УЛЗ на ПАВ, в которых материалом для
встречно-штыревых преобразователей служит пьезопленка (например, ZnO или CdS), а звукопровод изготавливается из непьезоэлектрика. Ультразвуковые линии звдержки на ПАВ работают на частотах от единиц до тысяч мегагерц. Ограничение по f0 здесь обусловлено в основном технологией изготовления встречно-штыревых
преобразователей (при использовании фотолитографии, например,
максимальное значение f ≈ 400 МГц, а в случае применения электронолитографии или рентгенолитографии – до нескольких гигагерц). Время задержки в УЛЗ на ПАВ обычно составляет от единиц
микросекунд до 150…200 мкс. Величина Df/f0 лежит в пределах
0,1…0,5, а вносимые потери – в пределах 6…50 дБ.
Контрольные вопросы
1.Каковы основные параметры линий задержки?
2.Каков принцип действия УЛЗ на объемных акустических
волнах?
3.Каков принцип действия УЛЗ на поверхностных акустических волнах?
4.Что представляет собой эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя?
Литература
1. Жеребцов И. П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.
2. Волгов В. А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1977. 656 с.
28
4. Полупроводниковые резисторы
4.1. Терморезисторы
Терморезистор – это резистор, в котором используется зависимость
электрического сопротивления полупроводника от температуры.
Полупроводниковый терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления называется термистором.
Термисторы прямого подогрева
Принцип действия. В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием теплоты, выделяющейся в них
при прохождении электрического тока, или в результате изменения
его температуры вследствие изменения его теплового облучения
(например, при изменении температуры окружающей среды).
Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления) может быть вызвано разными причинами – увеличением
концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью или фазовыми превращениями полупроводникового материала.
Первое явление характерно для термисторов, изготовленных из
монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа AIIIBV и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих
примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы, а также в диапазоне температур собственной электропроводности, когда концентрация носителей изменяется вследствие ионизации собственных атомов полупроводника. И в том, и в другом случае
зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.
В указанных диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению
B
(4.1)
R = R¥ exp , T
где B – коэффициент температурной чувствительности; R∞ – коэффициент, зависящий от материала и размеров термистора.
29
Основная часть термисторов, выпускаемых
промышленностью, изготовлена из ок
сидных полупроводников – оксидов метал лов переходной группы таблицы Д. И. Менделеева (от титана до цинка). Такие терми сторы в форме стержней, трубок, дисков
или пластинок получают методом кера
мической технологии, т. е. путем обжига
заготовок при высокой температуре.
Электропроводность оксидных полупро
5 , водников с преобладающей ионной связью
отличается от электропроводности коваРис. 4.1. Температурная
характеристика
лентных полупроводников. Для металлов
термистора
переходной группы характерны наличие
незаполненных электронных оболочек и переменная валентность.
В результате при образовании оксида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковом крис­
таллографическом положении оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких материалов связана с обменом
электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для
такого обмена, экспоненциально уменьшается с увеличением температуры. В результате изменения интенсивности обмена электронами между ионами температурная зависимость сопротивления
термистора из оксидного полупроводника имеет такой же характер,
как и у термисторов из ковалентных полупроводников (рис. 4.1), но
коэффициент температурной чувствительности в этом случае отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами,
а не изменение концентрации носителей заряда.
В оксидах ванадия V2O4 и V2O3 при температуре фазовых превращений (68 и 110 °С) наблюдается уменьшение удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может быть
использовано для создания термисторов с большим отрицательным
температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих фазовому превращению.
Характеристики и параметры. Температурная характеристика термистора – это зависимость его сопротивления от температуры. Пример температурной характеристики одного из термисторов
приведен на рис. 4.1.
Номинальное сопротивление термистора – это его сопротивление при определенной температуре (обычно при 20 °C). Термисторы
3§Å
30
изготавливают с допустимым отклонением от номинального сопротивления ±20, 10 и 5 %. Номинальные сопротивления различных
типов термисторов имеют значения от нескольких омов до нескольких сотен килоомов.
Коэффициент температурной чувствительности B – это коэффициент в показателе экспоненты температурной характеристики
термистора (4.1). Значение этого коэффициента, зависящее от свойств
материала термистора, для данного термистора в рабочем диапазоне температур практически постоянно и для разных типов термисторов находится в пределах от 700 до 15000 K.
Температурный коэффициент сопротивления термистора (TKR) –
это величина, определяемая отношением относительного изменения сопротивления термистора к изменению его температуры:
1 dR
TKR = ×
.
R
dT
Данный коэффициент зависит от температуры, поэтому его необходимо записывать с индексом, указывающим температуру, при
которой возможно данное значение. Зависимость температурного
коэффициента сопротивления термистора от температуры имеет вид
TKR = - B T2 .
Значения температурного коэффициента сопротивления при
комнатной температуре разных термисторов находятся в пределах
(0,8…6,0) ⋅ 10–2 K–1.
Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) термистора – это зависимость падения напряжения на термисторе от
проходящего через него тока в условиях теплового равновесия между ним и окружающей средой.
6
На рис. 4.2 приведены статические ВАХ
термисторов. Линейность характеристик при
малых токах и напряжениях объясняется
тем, что выделяемая в термисторе мощность недостаточна для существенного изменения его температуры. При увеличении
тока, проходящего через термистор, выде*
ляемая в нем мощность повышает его темпе- Рис.
4.2.
Три
типа
ратуру. Таким образом, сопротивление терстатических ВАХ
мистора определяется суммарной темпера- термисторов прямого
турой – температурой окружающей среды
подогрева
31
и температурой перегрева термистора. При этих токах сопротивление термистора уменьшается с увеличением тока и температуры
в соответствии с (4.1), линейность статической ВАХ нарушается.
При дальнейшем увеличении тока и большой температурной чувствительности термистора у статической ВАХ может наблюдаться падающий участок, т. е. уменьшение напряжения на термисторе с увеличением проходящего через него тока. Мощность, выделяющаяся в термисторе, непрерывно возрастает с увеличением проходящего через
него тока, несмотря на уменьшение падающего на нем напряжения.
Максимально допустимая температура термистора – это температура, при которой еще не происходит необратимых изменений
параметров и характеристик термистора. Максимально допустимая
температура определяется не только свойствами исходных материалов термистора, но и его конструктивными особенностями.
Максимально допустимая мощность рассеяния термистора –
это мощность, при которой термистор, находящийся в спокойном
воздухе при температуре 20 °C, разогревается при прохождении
тока до максимально допустимой температуры. При умень­шении
температуры окружающего воздуха, а также при работе термистора
в средах, обеспечивающих лучший теплоотвод, мощность рассеяния может превышать максимально допустимое значение.
Коэффициент энергетической чувствительности термистора
G численно равен мощности, которую необходимо подвести к термистору для уменьшения его сопротивления на 1 %.
Постоянная времени термистора – это время, в течение которого
температура термистора уменьшится на 63 % (в e раз) относительно
разности температур термистора и окружающей среды (например,
при переносе термистора из воздушной среды с температурой 120 °C
в воздушную среду с температурой 20 °C). Тепловая инерционность
термистора, характеризуемая его постоянной времени, определяется конструкцией и размерами термистора и зависит от теплопроводности среды, в которой находится термистор. Для разных типов
термисторов постоянная времени лежит в пределах от 0,5 до 140 с.
Термисторы косвенного подогрева
Термистор косвенного подогрева – это термистор, имеющий дополнительный источник теплоты – подогреватель. Конструктивное
исполнение термисторов косвенного подогрева может быть различ32
ным. Часто подогреватель конструируют в виде обмотки на изоляционной трубке, внутри которой расположен термистор. В других
случаях сам термистор выполнен в виде трубки, внутри которой
проходит нить подогрева. Общим для всех конструкций термисторов косвенного подогрева является наличие у них двух электрически изолированных друг от друга цепей: управляющей и управляемой.
Для получения наибольшей чувствительности термистора косвенного подогрева, т. е. наибольшего изменения сопротивления, его
следует использовать в режимах, при которых мощностью, выделяемой в самом термочувствительном элементе проходящим через
него током, можно было бы пренебречь.
4.2. Позисторы
Позистор – это полупроводниковый терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления.
Для создания позисторов используют монокристаллические
кремний, германий и другие полупроводниковые материалы. Принцип действия таких позисторов основан на уменьшении подвиж­
ности носителей заряда с увеличением температуры в результате
увеличения их рассеяния на тепловых колебаниях атомов крис­
таллической решетки. Так, позисторы, изготовленные из моно­
кристаллического кремния с малой концентрацией примесей (1015…
1017 см3), могут иметь температурный коэффициент сопротивления
(0,7…1) ⋅ 10–2 K–1 с положительным знаком в диапазоне температур
от 20 до ~100 °C.
Свойства позисторов оцениваются характеристиками и параметрами, аналогичными характеристикам и параметрам термисторов
с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
Температурная характеристика позистора есть зависимость
его сопротивления от температуры. При относительно малых и больших температурах температурные характеристики позисторов соответствуют температурным зависимостям удельного сопротивления обычных полупроводников, т. е. в этих диапазонах температур
позисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (рис. 4.3).
Статическая вольт-амперная характеристика позистора
(рис. 4.4), так же как и ВАХ термистора, представляет собой зави33
3§Å
3§Å
*ř
*ř
s s
$
55 $
Рис. 4.3. Температурные характеристики некоторых позисторов
6›
6›
Рис. 4.4. Статическая ВАХ
позистора
симость напряжения на позисторе от проходящего через него тока
при условии равновесия между теплотой, выделяемой позистором,
и теплотой, отводимой от него.
4.3. Варисторы
Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление
которого зависит от приложенного напряжения.
Варисторы изготовляют методом керамической технологии, т. е.
путем высокотемпературного обжига заготовок из порошкообразного карбида кремния со связкой, в качестве которой обычно используют глину. Конструктивное оформление варисторов может быть
различным в зависимости от назначения и необходимых параметров. Чаще всего варисторы имеют форму стержней или дисков
с электродами на противоположных концах или поверхностях,
к которым припаяны выводы для присоединения к схеме.
Нелинейность ВАХ варисторов (рис. 4.5) обусловлена явлениями
на точечных контактах между кристаллами карбида кремния. При
малых напряжениях на варисторе может происходить туннелирование электронов сквозь тонкие потенциальные барьеры, существующие на поверхности данных кристаллов.
При больших напряжениях на варисторе и соответственно при
больших токах, проходящих через него, плотность тока в точечных
контактах оказывается очень большой. Все напряжение, приложенное к варистору, падает на точечных контактах. Разогрев точеч34
*ř
ных контактов приводит к уменьшению их
сопротивления и нелинейности ВАХ.
Сопротивление точечных контактов определяется сопротивлением растекания, т. е.
сопротивлением малых активных областей
полупроводника под точечными контакта6›
ми. Из-за малости активных областей их ра- s s
зогрев практически не приводит к повышению температуры всего варистора. Кроме
s
того, малые объемы активных областей обес­
s
печивают малую инерционность тепловых
процессов – разогрева и охлаждения этих обРис. 4.5. Вольтластей. Теоретические расчеты показывают, амперная характеристика одного из
что тепловая постоянная времени активных
варисторов
–6
–8
областей может составлять 10 …10 с.
Характеристики и параметры. Коэффициент нелинейности варистора – это отношение статического R и дифференциального r сопротивлений при заданном постоянном напряжении на вари­сторе:
R U dI
β= = ×
.
r
I dU
Вольт-амперная характеристика варистора. Если варистор работает в узком диапазоне изменений напряжений и токов, то коэффициент нелинейности в этом диапазоне можно считать постоянным (β = const), и ВАХ варистора соответствует уравнению
β
I = AU ,
где A – коэффициент, значение которого зависит от типа варистора
и температуры.
Частотные свойства варисторов могут определяться либо инерционностью процессов, приводящих к нелинейности ВАХ, либо собственной емкостью варистора. Инерционность разогрева и охлаждения активных областей под точечными контактами между кристаллами очень мала, поэтому частотные свойства варисторов определяются временем перезаряда их собственной емкости.
4.4. Фоторезисторы
Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте. Фоторезистивный
эффект (внутренний фотоэффект) – это изменение электрического
35
сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно
действием оптического излучения и не связанное с его нагреванием. Для возникновения фоторезистивного эффекта необходимо,
чтобы энергия кванта света hν была больше ширины запрещенной
зоны полупроводника ΔW.
Основной частью конструкции фоторезистора является полупроводниковый фоточувствительный слой, который может быть выполнен в виде монокристаллической или поликристаллической
пластинки либо в виде поликристаллической пленки, нанесенной
на диэлектрическую подложку. В качестве полупроводникового материала для фоторезисторов обычно используют сульфид кадмия,
селенид кадмия или сульфид свинца. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды.
Основные характеристики и параметры. Вольт-амперные характеристики фоторезистора представляют собой зависимости светового тока Iсв при неизменном световом потоке, а также тем­нового
тока Iтем от приложенного к фоторезистору напряжения (рис. 4.6).
В рабочем диапазоне напряжения ВАХ фоторезисторов при разных
значениях светового потока практически линейны.
Световая, или люкс-амперная, характеристика фоторезистора
представляет собой зависимость фототока Iф = Iсв – Iтем от освещенности или от падающего на фоторезистор светового потока (рис. 4.7).
Эта характеристика фоторезисторов нелинейная, что существенно
ограничивает возможность их применения.
*Í Å™
Спектральная характеристика
фоторезистора – это зависимость фототока от длины волны падающего
на фоторезистор света.
При больших длинах волн, т. е. при малых энергиях квантов света
по сравнению
с шириной запрещенной
*
зоны
полупроводника,
энергия кванта
*Ê»
оказывается
недостаточной для переброса электрона из валентной зоны
в зону проводимости.
При малых
длинах волн с уменьше
нием длины волны падающего на фото*˾Å
резистор света возрастает показатель
Поэтому
&ÄÃ проник6
поглощения.
глубина
Рис. 4.6. Вольт-амперная
новения квантов света в полупроводхарактеристика фотореник уменьшается, т. е. основная часть
зистора
неравновесных носителей заряда возни1 – в темноте;
кает вблизи освещаемой поверхности
2 – при облучении
36
фоточувствительного слоя. При этом *Íř
увеличивается роль поверхностной ре
комбинации и уменьшается среднее
время жизни
неравновесных носите
*
лей. Таким образом, спектральная
ха
рактеристика
имеет спад и при малых
*Ê»
длинах волн.
Разные полупроводники имеют ширину запрещенной зоны от десятых до
лей до 3 *эВ. Поэтому максимум спек˾Å
тральной характеристики разных фото
резисторов может
находиться в инфра
&ÄÃ
6
красной, видимой или ультрафиолето- Рис. 4.7. Световая характевой частях электромагнитного спектра.
ристика фоторезистора
Постоянная времени – это время,
в течение которого фототок фоторезистора изменяется после освещения или затемнения фоторезистора на 63 % (в e раз) относительно установившегося значения. Таким образом, постоянные времени
характеризуют скорость реакции фоторезистора на изменение светового потока, т. е. инерционность фоторезистора.
Удельная интегральная чувствительность – это отношение фототока к световому потоку Φ и приложенному напряжению U:
Iô
KΣ =
.
ΦU
Чувствительность называют интегральной, потому что измеряют ее при освещении фоторезистора светом сложного спектрального
состава: от источника света с цветовой температурой 2840 K при
освещенности 200 лк. Удельная интегральная чувствительность
разных фоторезисторов составляет от 1 до 600 мА/(В ⋅ лм).
4.5. Магниторезисторы
Магниторезисторы относятся к классу полупроводниковых гальваномагнитных приборов, в которых используется воздействие
магнитного поля на движущиеся в электрическом поле носители
зарядов.
Принцип действия таких приборов основан на двух эффектах:
эффекте Холла, т. е. на эффекте возникновения поперечной разности потенциалов в полупроводнике, по которому проходит электри37
ческий ток, в том случае, когда действует магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, и магниторезистивном эффекте,
т. е. на эффекте изменения электрического сопротивления полупроводника под действием магнитного поля (эффект Гаусса).
Оба эффекта вызваны тем, что на движущийся со скоростью v
носитель заряда в магнитном поле с индукцией B действует сила
Лоренца
FË = q[vB], (4.2)
где q = ±1,6 ⋅ 10–9 Кл (для электрона знак «–», для дырки – «+»).
Эффект Холла. Предположим, что по полупроводнику, имеющему форму прямоугольной пластины, протекает электрический ток
I, обусловленный движением только электронов (полупроводник
n-типа) (рис. 4.8, а). При этом электроны совершают дрейф со скоростью v в противоположном току I направлении. В отсутствие маг ¸
¹
6¦
*
%
#
W
+
*
+
M
'¤
+
-
'
- - -
6¦
$
+
+
%
E
*
+
C
'¤
+
'
#
+
M
+
+
$
W
- - -
+
E
*
C
Рис. 4.8. Эффект Холла в полупроводниках: а – п-типа; б – р-типа
нитного поля разность потенциалов между точками С и D, лежащими на одной эквипотенциальной поверхности, равна нулю. Если образец поместить в магнитное поле с индукцией B, перпендикулярной направлению тока и плоскости образца, то сила Лоренца будет
смещать движущиеся электроны к левой грани пластины.
Направление смещения определяется направлением силы Лоренца, т. е. векторным произведением (4.2) с учетом знака носителей. В результате между боковыми гранями пластины (точками С
и D) возникает разность потенциалов (ЭДС Холла).
Магниторезистивный эффект. Под действием силы Лоренца траектория движения носителя заряда искривляется, что равносильно
уменьшению длины свободного пробега электронов в направлении
38
внешнего поля между токовыми контактами или
увеличению удельного сопротивления полупроводника в магнитном поле.
В случае одинаковой средней скорости носи­
телей заряда и установления динамического равновесия возникшая холловская напряженность
электрического поля компенсирует действие силы
Лоренца, и, следовательно, искривления траекторий не происходит. В действительности же носиРис. 4.9. Магнители в полупроводнике распределены по скороторезистор
стям. Поэтому они со скоростью, превышающей
в виде диска
Корбино
среднюю, смещаются к одной грани пластинки
полупроводника, так как на них действует большая сила Лоренца. Носители, обладающие скоростью меньше средней, смещаются к другой грани пластинки, так как на них действует большая сила холловской напряженности электрического поля.
Поскольку холловская напряженность электрического поля,
возникающая в полупроводнике с током при наличии магнитного
поля, снижает магниторезистивный эффект, конструкция магниторезистора должна быть такой, чтобы уменьшить или полностью
устранить ЭДС Холла. Наилучшей формой магниторезистора является диск Корбино (рис. 4.9).
При отсутствии в таком магниторезисторе магнитного поля ток
проходит в радиальном направлении от центра диска ко второму
электроду, расположенному по периметру диска, или наоборот. Под
действием магнитного поля носители заряда отклоняются в направлении, перпендикулярном радиусу. Так как не существует граней,
на которых может происходить накопление зарядов, ЭДС Холла
в таком магниторезисторе не возникает.
Основными полупроводниковыми материалами для магниторезисторов является антимонид индия InSb и арсенид индия InAs –
материалы с большой подвижностью носителей заряда.
Контрольные вопросы
1.Какие физические явления могут быть положены в основу
создания термисторов?
2. При каких условиях термистор обладает отрицательным
дифференциальным сопротивлением?
39
3.Что характеризует постоянная времени термистора?
4.На каких физических явлениях может быть основан принцип действия позисторов?
5.Какой физический процесс можно считать основным при работе варисторов из карбида кремния в диапазоне средних и больших токов?
6.Каким уравнением можно аппроксимировать ВАХ варистора
из карбида кремния?
7.Что такое коэффициент нелинейности варистора?
8.Что представляет собой спектральная характеристика фоторезистора?
9.Какие параметры характеризуют фоторезистор?
10.В чем состоит эффект Холла?
11.Что такое магниторезистивный эффект?
12.Какую конструкцию должны иметь магниторезисторы?
Литература
1. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. СПб.:
Лань, 2001. 479 с.
40
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ ПЕРЕМЕННОЙ ЕМКОСТИ
Цель работы: определить функциональные характеристики
конденсаторов с механическим управлением емкости.
1. Выписка из методических указаний
Параметры конденсаторов с механическим управлением емкости:
• Сх(j) – функциональная характеристика конденсатора переменной емкости – зависимость емкости конденсатора от угла
поворота j ротора;
• Сх min – минимальная емкость (j = 0);
• Сх max – максимальная емкость (j = jmax);
Функциональные характеристики конденсаторов переменной
емкости:
• Сх(j) = aj + b – прямоемкостный;
• Сх(j) = (aj + b)2 – прямоволновой;
• Сх(j) = 1/(aj + b)2 – прямочастотный.
Параметры a и b разные для разных типов конденсаторов, определяются по известным Сх min и Сх max.
2. Порядок выполнения работы
1.Объект исследования: конденсаторы переменной емкости
с разными функциональными характеристиками.
2.Описание лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят:
• измеритель добротности (Q-метр Е4-11) с образцовой катушкой индуктивности, подключенной к клеммам Lх на верхней
панели прибора. Инструкция по работе с прибором находится на рабочем месте;
• три макета конденсаторов переменной емкости с плоскими параллельными пласти©½Çº
©Í
нами. Макет состоит их последовательно
соединенных исследуемого конденсатора
переменной емкости Сх и добавочного
©Öû
конденсатора постоянной емкости Сдоб
Рис. 1. Схема
(рис. 1). Величина емкости добавочного
соединения
конденсатора Сдоб указана на макете.
конденсаторов
41
Порядок выполнения экспериментальной части работы
Задание 1. Определите экспериментальным путем функциональную характеристику конденсатора переменной емкости. Для этого:
• получите у преподавателя макет конденсатора (например,
макет конденсатора № 1);
• подготовьте измеритель добротности к работе (п. 1 «Инструкции по работе с измерителем добротности»);
• измерьте резонансную емкость измерителя добротности С1
(без подключенного макета) на частоте 31 МГц (п. 2.1–2.4
«Инструкции по работе с измерителем добротности») и запишите ее значение;
• подключите макет исследуемого конденсатора к Q-метру
и измерьте на той же частоте зависимость резонансной емкости измерителя добротности С2 от угла поворота ротора j исследуемого конденсатора Сх (п. 2.5, 2.6 «Инструкции по работе с измерителем добротности»).
Рассчитайте зависимость емкости Сх от угла j. Результаты занесите в таблицу.
Результаты расчета зависимости емкости Сх от угла j
j, град
Параметры
С2, пФ
Сэкв = С1 – С2, пФ
Ñõ =
Cäîá Ñýêâ
Ñäîá -Ñýêâ
, ïÔ
Задание 2. Рассчитайте функциональные характеристики для
всех трех приведенных типов конденсаторов (см. раздел «Выписка
из методических указаний»). Параметры a и b определите, используя значения Сх min и Сх max, полученные в предыдущем задании
(считайте, что угол j принимает значения, указанные в таблице).
Рассмотрим пример определения параметров a и b для прямоемкостного конденсатора Сх(j) = aj + b.
Если j = 0, то
Сх min = a ⋅ 0 + b, 42
откуда
b = Сх min.
Если j = 180°, то
Сх max = a ⋅ 180°+ Сх min,
откуда
a = (Сх max – Сх min)/180°.
Задание 3. Постройте в одной системе координат экспериментальную характеристику конденсатора (задание 1), все три функциональные характеристики, полученные расчетным путем (задание 2), график частоты настройки контура для прямочастотного
конденсатора (f =1 (2p LC ), L = 1 мкГн). Определите, к какому
типу относится экспериментально исследованный конденсатор.
3. Содержание отчета
1.Цель работы.
2. Перечень используемых приборов.
3.Результаты измерений и расчетов.
4.Графики исследованных зависимостей.
5.Объяснение полученных результатов.
43
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИКАПА
Цель работы: исследовать зависимость емкости и добротности
варикапа от управляющего напряжения.
1. Порядок выполнения работы
1.Объект исследования: варикап 2В110А.
2.Описание лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят:
• измеритель добротности (Q-метр Е4-11) с образцовой катушкой индуктивности, подключенной к клеммам Lx на верхней
панели Q-метра, инструкция по работе с которым находится
на рабочем месте;
• источник питания постоянного тока Б5-45 с укрепленным на
нем делителем выходного напряжения;
• лабораторный макет, включающий в себя (см. рисунок) исследуемый варикап 2В110А (для повышения точности измерения исследуется не один, а три параллельно включенных
варикапа), ключ K, позволяющий отключать варикапы, резистор и конденсаторы. Лабораторный макет подключается
к клеммам Сх на верхней панели Q-метра.
Добавочный конденсатор Сдоб = 51 пФ служит для снижения резонансной частоты измерительного колебательного контура, а конденсаторы по 5600 пФ являются разделительными.
Если пренебречь влиянием разделительных конденсаторов, то
при отключенных варикапах резонансная емкость колебательного
$ È­
£ÃľÅŹũÍ
2 žËɹ
¢
£½¾ÄÁ˾Ä×
ƹÈÉØ¿¾ÆÁØ 6
©½Çº È­
© È­
7% s 7% £› ™
3 Ã
Схема лабораторной установки
44
контура Q-метра будет равна Ск = С1 + Сдоб, где С1 – емкость измерительного конденсатора Q-метра при резонансе, а при включенных
варикапах та же самая резонансная емкость Ск = С2 + Сдоб + 3 Св, где
С2 – емкость измерительного конденсатора при резонансе, Св – емкость варикапа.
Порядок выполнения экспериментальной части работы
Задание 1. Определите добротность Q1 и резонансную емкость Ск
измерительного колебательного контура с отключенными варикапами. Для этого:
• поставьте переключатель K на лабораторном макете в положение «ВЫКЛ.»;
• установите частоту Q-метра f = 38 МГц, пределы измерения
Q = 300 и, пользуясь инструкцией по работе с Q-метром, измерьте добротность Q1 контура и емкость С1 измерительного
конденсатора;
• рассчитайте
Ск = С1 + Сдоб,
где Сдоб = 51 пФ.
Результаты занесите в табл. 1.
Параметры измерительного контура
f, МГц
Q1
С1, пФ
Таблица 1
Ск, пФ
38
Задание 2. Определите емкость Св и добротность Qв варикапа
при управляющих напряжениях U0 = 4,0; 4,8; 6,0; 8,0; 12; 16; 24;
32 и 40 В:
• на блоке питания Б5-45 установите ток I0 = 100 мА, напряжение U = 5,0 В и включите блок. В связи с тем, что на выходе
Б5-45 включен делитель напряжения 1/1,25, управляющее
напряжение на варикапе окажется равным U0 = U/1,25 =
5,0 / 1,25 = 4,0 В;
• включите варикап (фактически три соединенных параллельно варикапа 2В110А (см. рисунок), для этого переключатель
K на лабораторном макете поставьте в положение «ВКЛ.».
45
Таблица 2
Измеренные значения добротности и емкости варикапа
U, В
U0 = U/1,25
5,0
7,5
10
15
20
30
50
(49,9)
4,0
6,0
8,0
12
16
24
Результаты
измерений
С2, пФ
Q2
Результаты расчетов
Q1 – Q2 3 Cв = (С1 – С2), пФ Св, пФ
Qв
40
• пользуясь инструкцией по работе с Q-метром, измерьте емкость
С2 измерительного конденсатора и добротность Q2 контура при
управляющем напряжении на варикапе U0 = 4,0 В; повторите
измерения С2 и Q2 для управляющих напряжений U0 = 4,8;
6,0; 8,0; 12; 16; 24; 32 и 40 В. Результаты занесите в табл. 2.
Емкость Св и добротность Qв определяют по формулам
(Ñ1 - Ñ2 )Q1Q2
Ñ - Ñ2
Ñâ = 1
, Qâ = C (Q - Q ) ,
ê 1
2
3
где С1 и Q1 – емкость измерительного конденсатора и добротность колебательного контура Q-метра при отключенных варикапах (см. задание 1); С2 и Q2 – емкость измерительного конденсатора и добротность колебательного контура с включенными варикапами; Ск – резонансная емкость колебательного контура (см. задание 2).
Задание 3. Выполните расчеты, предусмотренные табл. 1 и 2.
На одном графике нанесите уровень Q1 (горизонтальную прямую) и постройте кривые зависимости Q2, Св и Qв от управляющего
напряжения U0 на варикапе.
2. Содержание отчета
1.Цель работы.
2. Перечень применяемых приборов.
3.Электрическая схема лабораторного макета.
4.Результаты измерений, расчетов и графики.
5.Выводы.
46
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ
С МАГНИТНЫМИ СЕРДЕЧНИКАМИ
Цель работы: исследовать зависимость:
• геометрических размеров (объема) и добротности катушек
тороидальной формы от магнитной проницаемости материала сердечника;
• добротность катушек тороидальной формы с разной магнитной проницаемостью материала сердечника от частоты.
1. Порядок выполнения работы
1.Объект исследования: катушки индуктивности с магнитными сердечниками.
2.Описание лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят:
• измеритель добротности (Q-метр ВМ-560), инструкция по работе с прибором находится на рабочем месте;
• пять катушек индуктивности с сердечниками тороидальной
формы, размещенных в двух кассетах, и два добавочных конденсатора.
Индуктивность L катушки тороидальной формы с однородным
сердечником рассчитайте по формуле
L=
µµ0 N 2 S
,
lñð
(1)
где µ0 = 4p ∙ 10–3 мкГн/см – магнитная постоянная; µ – относительная
магнитная проницаемость сердечника; N – число витков обмотки;
S = h(Dн – Dвн) – площадь сечения сердечника, перпендикулярная
магнитным силовым линиям; h – осевая длина (толщина сердечника);
Dн и Dвн – наружный и внутренний диаметры сердечника; lср = p(Dн +
Dвн)/2 – средняя длина магнитных силовых линий в сердечнике.
Порядок выполнения экспериментальной части работы
Задание 1. Измерьте на частоте f = 3 МГц добротность Q и емкость настройки в резонанс C катушек № 1–3, пользуясь п. 1, 2 «Ин47
струкции по работе с измерителем добротности». Результаты запишите в табл. 1.
Таблица 1
Измеренные значения добротности и емкости настройки
Номер
Dн, см Dвн, см
катушки
1
2
3
3,2
2,0
1,2
2,0
1,2
0,6
h, см
N
0,6
0,6
0,4
128
18
8
Результаты измерений и вычислений
µ
V, см3
Q
C, пФ L, мкГн
Рассчитайте по формуле (1) магнитную проницаемость µ сердечников. Индуктивность катушки определите из выражения
1
L= 2 2 .
4p f C
Постройте зависимости V1, 2, 3 / V1 = j1(µ) и Q1, 2, 3 / Q1 = j2(µ), где
V1, V2, V3 и Q1, Q2, Q3 – соответственно объемы и добротности катушек № 1–3. Для оси µ выберите логарифмический масштаб. Объем
катушки определите по формуле
pDí2h
V=
.
4
Задание 2. Измерьте добротность и емкость катушки № 4 на частотах 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 и 17 МГц и катушки № 5 на частотах 3, 5,
7 и 9 МГц.
П р и м е ч а н и е. При измерении добротности и емкости катушек на частотах 3 и 5 МГц следует использовать добавочные конденсаторы (включаются в гнезда Сх на верхней панели прибора), емкости которых приведены в табл. 2.
Таблица 2
Значения добротности и емкости настройки на разных частотах
f, МГц
3
5
7
9
11
13
15
17
48
Катушка № 4 (µ = 55)
Q
C
Cдоб, пФ
1000
270
–
–
–
–
–
–
Катушка № 5 (µ = 320)
Q
–
–
–
–
C
Cдоб, пФ
–
–
–
–
270
–
–
–
–
–
–
–
Постройте на одном графике кривые зависимости Q = j3(f) для
двух значений магнитной проницаемости, отметив, каким значе­
ниям магнитной проницаемости отвечает каждая кривая.
2. Содержание отчета
1.Цель работы.
2. Перечень используемых приборов.
3.Результаты измерений и расчетов.
4.Графики исследованных зависимостей.
5.Объяснение полученных результатов.
49
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ С ЭКРАНАМИ
Цель работы: исследовать влияние диаметра экрана на собственную емкость С0, индуктивность L и добротность Q катушки индуктивности.
1. Порядок выполнения работы
1.Объект исследования: катушка индуктивности с экранами.
2.Описание лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят:
• измеритель добротности (Q-метр ВМ-560), на котором закреп­
лена платформа 1 для экранов (см. рисунок), с исследуемой
катушкой индуктивности 2 (катушка 3 в данной работе не
используется); инструкция по работе с прибором находится
на рабочем месте;
• набор из пяти алюминиевых цилиндрических экранов.
ªÓ¾ÅÆÔÂ
ÖÃɹÆ
Схема лабораторного макета
ВНИМАНИЕ! Тумблер на платформе 1 должен находиться в положении «ВЫКЛ.» при выполнении всех измерений.
Порядок выполнения экспериментальной части работы
Задание 1. Исследование влияния диаметра экрана на собственную емкость С0 катушки индуктивности:
• пользуясь п. 1, 2 «Инструкции по работе с измерителем добротности», имеющейся на рабочем месте, определите собственную емкость С0 катушки без экрана (диаметр экрана
равен ∞);
50
• определите собственные емкости катушки с экранами № 1–5.
Результаты измерений и последующих расчетов занесите в табл. 1.
Таблица 1
Результаты измерений и расчетов собственной емкости катушки
Номер экрана
Диаметр
экрана d, мм
Без экрана
1
2
3
4
5
–
48,8
33
31
25
21
Результаты измерений
С1, пФ
f1, МГц
С2, пФ
Результаты
расчетов
С0, пФ
50
50
50
50
50
50
В табл. 1 f1 – резонансная частота колебательного контура, образованного исследуемой катушкой и измерительным конденса­
тором Q-метра, емкость которого С1 = 50 пФ; С2 – резонансная емкость колебательного контура, образованного исследуемой катушкой и измерительным конденсатором при частоте f = 0,5 f1; С0 – собственная емкость катушки, которая рассчитывается по формуле
C0 = (C2 – 4 C1)/3.
Задание 2. Исследование влияния диаметра экрана на добротность Q и индуктивность L катушки:
• пользуясь п. 3 «Инструкции по работе с измерителем добротности», измерьте на частоте 3 МГц индуктивность L и добротность Q катушки без экрана;
• измерьте на той же частоте индуктивность и добротность катушки с экранами № 1–5.
Результаты измерений и последующих расчетов занесите в табл. 2.
Таблица 2
Данные измерения влияния экрана на параметры катушки
Номер экрана
Результаты измерений
Q
С, пФ
Результаты расчетов
L, мкГн
Без экрана
1
2
3
4
5
51
В табл. 2 Q – добротность катушки, отсчитанная по шкале
Q-метра; С – резонансная емкость контура, образованного исследуемой катушкой и измерительной емкостью Q-метра, на частоте 3 МГц;
L – индуктивность катушки, рассчитывается по формуле
1
L= 2 2
;
4
p
f
(
C
+
C
)
0
С0 – собственная емкость катушки, полученная при выполнении задания 1.
Задание 3. Постройте графики зависимости собственной емкости, индуктивности и добротности исследуемой катушки от диаметра экрана
С0 = f(d), L = f(d), Q = f(d).
2. Содержание отчета
1.Цель работы.
2. Перечень используемых приборов.
3.Результаты измерений и расчетов.
4.Графики исследованных зависимостей.
5.Объяснение полученных результатов.
52
Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ
Цель работы: определение электрических параметров ультразвуковой линии задержки УЛЗ 64-4.
1. Порядок выполнения работы
1.Объект исследования: ультразвуковая линия задержки
УЛЗ 64-4.
2.Описание лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят:
• измеритель амплитудно-частотных характеристик (АЧХ)
Х1-47 с клеммной колодкой К1 для подключения исследуемой линии;
• генератор импульсов Г5-63 и осциллограф С1-118А с общей
клеммной колодкой К2;
• лабораторный макет с ультразвуковой линией УЛЗ 64-4
и гнездами для присоединения клеммных колодок К1 и К2.
Порядок выполнения экспериментальной части работы
Задание 1. Измерьте амплитудно-частотную характеристику
ультразвуковой линии задержки УЛЗ 64-4. Определите среднюю
частоту fср и полосу пропускания Df на уровне –3 дБ.
П р и м е ч а н и е. Полоса пропускания линии задержки определяется как частотный интервал Df, внутри которого затухание сигнала не превышает выбранной величины. Затухание α определяется по уменьшению мощности частотных составляющих в нагрузке:
α = lg
æ U ö2
P2
U
= lg çç 2 ÷÷÷ = 2 lg 2 ,
÷
ç
P1
U1
è U1 ø
где U1 – максимальное напряжение на нагрузке внутри полосы пропускания; U2 – минимальное напряжение на нагрузке (обычно по
границам полосы пропускания).
Единица измерения затухания – 1 белл (1 Б). Для практических
целей используется в десять раз более мелкая единица – 1 децибел
(1 дБ):
53
1 äÁ = 10 α, 1 Á = 20 lg
U2
.
U1
Подготовьте измеритель АЧХ Х1-47 к измерению. Для этого:
• установите ручкой 1 (рис. 1) частоту 2 МГц;
• установите переключатель 2 в положение «1 + 10» (частотные метки через 1 и 10 МГц);
• установите переключатель аттенюатора 3 в положение «0 дБ»;
• установите переключатель 4 в положение «0,02» (длительность периода качания частоты равна 0,02 с);
• поверните ручку 5 так, чтобы точка на боковой поверхности
совпала с треугольником ∇, при этом полоса качания частоты равна примерно 10 МГц;
• поверните ручку 6 (УСИЛЕНИЕ) по часовой стрелке в положение, близкое к предельному;
• поверните ручку 10 по часовой стрелке до предела;
• соедините клеммную колодку К1 с гнездами лабораторного
макета;
• подключите прибор Х1-47 к сети электропитания;
• включите тумблер 7, при этом должна загореться сигнальная
лампочка. На экране появятся амплитудно-частотная характеристика исследуемой схемы и частотные метки (рис. 2).
С помощью ручек 6 (УСИЛЕНИЕ) и 8 (СМЕЩЕНИЕ ВВЕРХ –
ВНИЗ) добейтесь, чтобы высота кривой равнялась 10 клеткам сетки
на экране прибора (U1), а ручку 5 установите так, чтобы начало отсчета частоты оказалось слева в самом начале экрана (см. рис. 2).
Изменение положения частотных меток и амплитудно-частотной
характеристики по вертикали выполняется соответственно ручка
¡™°®9
£ÃľÅÅÆÇÂÃÇÄǽþ¢
Рис. 1. Схема лицевой панели прибора
Х1-47
54
¦¹Ð¹ÄÇÇËÊо˹йÊËÇËÔ
ÈÌÄÕÊÁÉÌ×ҹ؞Ëù
¥œÏ
¥œÏ
Рис. 2. Изображение на экране
прибора Х1-47 АЧХ
ми 8 и 9. Изменение положения амплитудно-частотной характеристики по горизонтали осуществляется ручками 1 и 10.
Выведите линию визира на уровень –3 дБ. Для этого:
• переключатель аттенюатора 3 поставьте в положение «3 дБ»,
при этом амплитуда сигнала уменьшится на 3 дБ;
• совместите линию визира (ручка 9) с уменьшенной амплитудой АЧХ и верните переключатель аттенюатора в прежнее
положение «0 дБ». Новое положение линии визира на частотной характеристике соответствует уровню –3дБ; на этом уровне, пользуясь масштабными метками (см. рис. 2), определите
fср и Df.
Выключите измеритель АЧХ Х1-47, отсоедините клеммную колодку К1 от макета и вставьте ее в плату для клеммных колодок.
Задание 2. Измерьте время задержки t0 УЛЗ 64-4 с помощью зондирования периодической последовательностью коротких прямо­
угольных видеоимпульсов.
Подготовьте приборы к измерению.
Генератор импульсов Г5-63. Установите:
• период повторения 100 мкс;
• временной сдвиг 0,2 мкс;
• длительность зондирующего импульса 0,2 мкс;
• амплитуду зондирующего импульса 20 В, при этом тумблеры внутренних делителей выходного напряжения поставьте
в положение «1:1» (все тумблеры включены направо).
П р и м е ч а н и е. Запрещается использование генератора без
внешнего делителя напряжения.
• ручку синхроимпульса в положение, в котором риска совпадает с треугольником ∇.
Осциллограф С1-118А:
• в горизонтальном ряду кнопок утопите кнопку «Y2»;
s
• в вертикальном ряду утопите кнопку ms (первую сверху);
• ручку «УРОВЕНЬ СИНХРОНИЗАЦИИ» поверните так, чтобы
точка на боковой поверхности совпала с треугольником ∇.
Убедитесь, что зондирующий импульс имеет прямоугольную
форму и длительность 0,2 мкс. Для этого:
• переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» поставьте в положение «0,5»
(одно деление сетки по горизонтали на экране равно 0,5 мкс);
• переключатель «V/ДЕЛ.» поставьте в положение «1» (одно
деление сетки по вертикали равно 1 В).
55
При измерении клеммная колодка К2 должна быть вставлена
в плату для клеммных колодок. При этом выходной кабель генератора оказывается подлюченным напрямую к осциллографу (крайние клеммы колодки К2 соединены между собой короткозамыкающей перемычкой).
Включите питание генератора и осциллографа. На экране по­
явится зондирующий импульс (рис. 3).
Перемещение наблюдаемой картины вверх-вниз и вправо-влево
осуществляется ручками плавной регулировки, расположенными
по центру переключателей «V/ДЕЛ.» и «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» (ручки меньшего диаметра).
Измерьте длительность задержки УЛЗ 64-4. Для этого:
• переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ.» поставьте в положение «10»
(одно деление сетки по горизонтали на экране равно 10 мкс);
• соедините клеммную колодку К2 с гнездами лабораторного
макета;
• переключатель «V/ДЕЛ.» поставьте в положение «50 mV»
(одно деление сетки по вертикали равно 50 мВ).
На экране появится напряжение на выходе УЛЗ 64-4, сдвинутое
по времени относительно входного импульса на время t0 (рис. 4).
Измерьте значение t0 (для уменьшения погрешности измерение
проводят в середине экрана). Для этого:
• выведите развертку точно на середину экрана;
• подведите левый срез выходного сигнала к вертикальной линии, отстоящей вправо от центра экрана на 30 мкс;
• отсчитайте задержку t0 от начала развертки до среза выходного импульса.
Для того чтобы убедиться, что кривая, наблюдаемая на экране,
действительно является результатом прохождения зондирующего
импульса через линию задержки, установите на генераторе Г5-63
длительность зондирующего импульса 2, а затем 6 мкс.

Рис. 3. Осциллограмма
зондирующего импульса
56
Рис. 4. Осциллограмма
задержанного импульса
Зарисуйте кривую и объясните полученный результат.
Снова установите длительность зондирующего импульса 0,2 мкс.
Выключите генератор Г5-63 и осциллограф С1-118А, отсоедините клеммную колодку К2 и вставьте ее в плату.
Задание 3. Рассчитайте элементы конструкции ультразвуковой
линии задержки. Для этого:
• по измеренной средней частоте fср вычислите толщину пьезопреобразователя;
• по измеренной задержке t0 определите конфигурацию звукопровода с тем, чтобы габаритные размеры линии задержки
не превышали габаритных размеров УЛЗ 64-4.
Скорость распространения упругих волн в материале пьезопре­
образователя (пьезокерамика BaTiO3) v = 2,7 ⋅ 105 см/с, в материале
звукопровода (Te-стекло) vt = 2,4 ⋅ 105 см/с.
2. Содержание отчета
1.Цель работы.
2. Перечень используемых приборов и схемы измерений.
3.Результаты измерений и расчетов.
4.Выводы по результатам проделанной работы.
57
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ РЕЗИСТОРОВ
Цель работы: исследовать функциональные характеристики полупроводниковых резисторов: термистора, позистора, варистора,
фоторезистора и магниторезистора.
1. Порядок выполнения работы
1.Объект исследования: полупроводниковые резисторы (термистор, позистор, варистор, фоторезистор и магниторезистор).
2.Описание лабораторной установки.
В состав лабораторной установки входят (блок-схема лабораторной установки находится на рабочем месте):
• источники питания постоянного тока Б5-43, Б5-8 и два
блока, закрепленных на вертикальной стене лабораторного
стола;
• исследуемые резисторы и органы управления (тумблеры, переключатели), позволяющие выбрать электрическую схему,
необходимую для измерения характеристик конкретного резистора;
• два мультиметра UT-83, один из которых (V) предназначен
для измерения падения напряжения на исследуемом резисторе, второй (A1) – для измерения тока, протекающего через резистор;
• миллиамперметр М4260 (А2) для измерения тока через обмотку электромагнита магниторезистора и лампочку накаливания, освещающую фоторезистор.
• батарея GB1 (9 В) питания мультиметров помещена в отдельный кожух справа от блока 2.
Порядок выполнения экспериментальной части работы
58
Перед началом работы проверьте, чтобы:
• тумблеры К1 (блок 1) и К4 (блок 2), тумблеры включения
приборов Б5-43 и Б5-8, переключатели мультиметров А1 и V
(блок 2) находились в положении «ВЫКЛ»;
• цифровые регуляторы V и A на передней панели Б5-43 находились соответственно в положениях «0,00 В» и «1,00 A»,
а регуляторы напряжения на передней панели Б5-8 были повернуты до предела против часовой стрелки;
• получите у преподавателя номера двух заданий. Включите
в сеть шнуры питания приборов Б5-43 и Б5-8.
ВНИМАНИЕ! Перед выполнением каждого задания:
• включите питание мультиметров от батареи GB1 (тумблер
К4, блок 2) и тумблер включения резисторов К1 (блок 7);
• переключатели мультиметров A1 и V поставьте в положение
«ВКЛ.», при этом засветятся их экраны, и приборы покажут
соответственно ток утечки и напряжение наводки в обесточенной измерительной цепи. Эти значения весьма малы по
сравнению с токами и напряжениями, с которыми студент
имеет дело в данной лабораторной работе, и поэтому их можно не принимать во внимание.
Если во время выполнения задания мультиметры не эксплуатируются более 10 мин, происходит их автоматическое отключение
(гаснет экран). Для того чтобы включить мультиметры заново, необходимо:
• отключить исследуемый резистор (тумблер К1), а затем батарею питания мультиметров (тумблер К4);
• переключатели мультиметров поставить в положение
«ВЫКЛ.»;
• включить батарею мультиметров (тумблер К4), а затем исследуемый резистор (тумблер К1);
• переключатели мультиметров поставить в положение «ВКЛ.»
и продолжить выполнение задания.
После выполнения каждого задания требуется:
• тумблеры К1, К4 и переключатели приборов А1 и V поставить в положение «ВЫКЛ.»;
• цифровой регулятор V на передней панели Б5-43 поставить
в положение «0,00 В».
Задание 1. Определите зависимости сопротивления термистора
СТ1-17 от выделяемой в нем электрической мощности.
Переключатель выбора резисторов (блок 1) поставьте в положение «1». В результате измерительная схема примет вид, показанный
на рис. 1.
Измерьте вольт-амперную характеристику термистора. Для
этого:
59
,
s55
3
š
6
6
7
" *
Рис. 1 Схема для измерения вольт-амперных характеристик термистора (задание 1) и позистора
(задание 2)
• включите Б5-43 и с помощью цифрового регулятора V установите напряжение питания U = 1 В. Включите тумблер К1
и через 1 мин измерьте падение напряжения U0 на термисторе Т и ток I0, протекающий через него, результат запишите
в табл. 1.
Таблица 1
Данные измерения вольт-амперной характеристики термистора
(позистора)
U, В
Результаты измерений
I0, мА
U0, В
Результаты расчетов
P, мВт
R, Ом
1
2
3
4
5
6
7
8
9
9,99
Далее, не выключая тумблера К1, проделайте ту же процедуру
с напряжениями U = 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 9,99 В.
После выполнения каждого задания необходимо выключить аппаратуру.
Рассчитайте мощность P, выделяемую в термисторе, и электрическое сопротивление R термистора для каждого значения U. Постройте вольт-амперную характеристику термистора и график зависимости сопротивления R от выделяемой в нем мощности P.
60
Задание 2. Определите зависимость сопротивления позистора от
выделяемой в нем электрической мощности.
Перед выполнением каждого задания приведите приборы в рабочее состояние (см. ранее).
Переключатель выбора резисторов (блок 1) поставьте в положение «2». В результате измерительная схема останется такой же, как
изображенная на рис. 1, только вместо термистора –Т будет включен позистор Т.
Измерьте вольт-амперную характеристику позистора. Для этого:
• с помощью цифрового регулятора V установите напряжение
питания U = 0,5 В, включите тумблер К1 и через 1 мин измерьте падение напряжения U0 на позисторе и ток I0, протекающий через него, результат запишите в таблицу, по форме
точно повторяющую табл. 1.
• далее, не выключая тумблер К1, проделайте те же операции
для напряжений U = 3,0; 6,0; 7,0; 7,5; 8,0; 8,5; 9,0; 9,99 В.
После выполнения каждого задания необходимо выключить используемую аппаратуру;
• рассчитайте мощность P, выделяемую в позисторе, и электрическое сопротивление R для каждого значения U, постройте вольт-амперную характеристику позистора и график зависимости сопротивления R от выделяемой в нем мощности P.
Задание 3. Определите зависимость сопротивления варистора от
приложенного напряжения.
Перед выполнением каждого задания необходимо привести используемую аппаратуру в рабочее состояние. Переключатель выбора резисторов (блок 1) поставьте в положение «3». В результате измерительная схема примет вид, показанный на рис. 2.
Измерьте вольт-амперную характеристику варистора для двух
направлений тока. Для этого:
6
,
,
3
š
6
*
6
7
"
Рис. 2. Схема для измерения вольт-амперной характеристики варистора
61
Таблица 2
Данные измерения вольт-амперной характеристики варистора
Результаты измерений
U, В
↑I0, мА
↓I0, мА
Результаты расчетов
U0, В
R(↑I0), Ом
R(↓I0), Ом
2
4
6
7
8
8,5
9,4
9,8
9,99
• с помощью цифрового регулятора V установите напряжение
питания U = 2 В, включите тумблер К1 и через 1 мин измерьте падение напряжения U0 на варисторе и ток I0, протекающий через него. Затем с помощью тумблера К2 измените направление тока в варисторе на противоположное, повторите
измерение U0 и I0 и верните тумблер К2 в исходное положение. Результаты измерений запишите в табл. 2;
• далее, не выключая тумблера К1, проделайте ту же процедуру с напряжениями U = 4; 6; 7; 8; 8,5; 9,4; 9,8; 9,99 В.
• после выполнения каждого задания необходимо выключить
используемую аппаратуру;
• рассчитайте электрическое сопротивление варистора для каждого значения U (табл. 2) и постройте его вольт-амперную характеристику для прямого и обратного направлений приложенного к нему напряжения.
Задание 4. Определите зависимость сопротивления фоторезистора от освещенности.
Перед выполнением каждого задания необходимо привести используемую аппаратуру в рабочее состояние.
Переключатель выбора резисторов (блок 1) поставьте в положение «4»; тумблер К3 – в положение «Включено освещение фоторезистора». В результате измерительная схема примет вид, показанный
на рис. 3.
Определите зависимость сопротивления фоторезистора от освещенности. Для этого:
62
,
,
*
3Ã
"
3
Ã
š
6
6
7
" *
š
Рис. 3. Схема для измерения зависимости сопротивления
фоторезистора от освещенности
• включите тумблер К1 и с помощью цифрового регулятора V
(прибор Б5-43) установите напряжение U = 9,99 В;
• включите источник Б5-8 и с помощью регуляторов напряжения на передней его панели по амперметру А2 установите ток
I2 = 8,0 мА через лампочку накаливания, освещающую фоторезистор. При этом освещенность поверхности фоторезистора будет равна Е = 45 лк. Вся шкала амперметра А2 рассчитана на 20 мА. Результаты измерений (U0, I0, I2) занесите
в табл. 3;
• далее, проделайте ту же процедуру со значениями освещенности, приведенными в табл. 3.
После выполнения каждого задания необходимо выключить используемую аппаратуру:
• регуляторы напряжения на передней панели прибора Б5-8
поверните до предела против часовой стрелки и выключите его;
• рассчитайте электрическое сопротивление R фоторезистора
для каждого значения освещенности и постройте график зависимости сопротивления от освещенности.
Таблица 3
Данные измерения вольт-амперных характеристик фоторезистора
I2, мА
Е, лк
8
45
10
70
12
230
12,8
350
13,2
440
U0, В
I0, мА
R, Ом
63
,
,
*
3Ã
"
6
š
6
7
" *
š
Рис. 4. Схема для измерения зависимости сопротивления магниторезистора от магнитной индукции
Задание 5. Определите зависимость сопротивления R магнигниторезистора от магнитной индукции В.
Перед выполнением каждого задания приведите в рабочее состояние используемую аппаратуру.
Переключатель выбора резисторов (блок 1) поставьте в положение «5», тумблер К3 – в положение «Включено магнитное поле магниторезистора». В результате измерительная схема примет вид, показанный на рис. 4.
Определите зависимость сопротивления R магниторезистора от
магнитной индукции В. Для этого:
• включите тумблер К1 и с помощью цифрового регулятора V
(прибор Б5-43) установите напряжение U = 9,99 В и определите падение напряжения U0 на магниторезисторе и ток I0,
протекающий через него, в отсутствие подмагничивающего
поля (I2 = 0, В = 0). Результат запишите в табл. 4;
Таблица 4
Данные измерения вольт-амперной характеристики магниторезистора
Результаты измерений
64
В, Тл
I2, мА
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0
4
8
12
16
20
U0, В
I0, мА
Результаты
расчетов
R, Ом
• далее включите прибор Б5-8 и проделайте ту же процедуру со
значениями магнитных индукций, указанными в таблице.
Требуемый ток I2 через обмотку электромагнита устанавливается с помощью регуляторов напряжения на передней панели Б5-8, контролируется с помощью амперметра А2 (вся
шкала амперметра равна 20 мА).
После выполнения каждого задания выключить используемую
аппаратуру:
• регуляторы напряжения на передней панели прибора Б5-8 поверните до предела против часовой стрелки и выключите его;
• рассчитайте электрическое сопротивление R магниторезистора и постройте график зависимости R от В.
ВНИМАНИЕ! После окончания лабораторной работы проверьте, чтобы:
• тумблеры К1 (блок 1) и К4 (блок 2), тумблеры включения
приборов Б5-43 и Б5-8, переключатели мультиметров А1 и V
(блок 2) находились в положении «ВЫКЛ.»;
• цифровые регуляторы V и A на передней панели Б5-43 находились соответственно в положениях «0 В» и «1 A», а регуляторы напряжения на передней панели Б5-8 были повернуты
до предела против часовой стрелки;
• выключите шнуры питания приборов Б5-43 и Б5-8.
2. Содержание отчета
1.Цель работы.
2. Перечень используемых приборов.
3.Результаты измерений и расчетов.
4.Графики исследованных зависимостей.
5.Объяснение полученных результатов.
65
Содержание
Введение..................................................................................... 3
Правила оформления текстовых документов по ГОСТ 7.32-2001.......... 3
Правила оформления отчетов........................................................ 4
Методические указания по подготовке к работам.............................. 5
1. Конденсаторы.......................................................................... 7
2. Катушки индуктивности........................................................... 17
3. Линии задержки...................................................................... 23
4. Полупроводниковые резисторы.................................................. 29
4.1. Терморезисторы................................................................. 29
4.2. Позисторы........................................................................ 33
4.3. Варисторы........................................................................ 34
4.4. Фоторезисторы.................................................................. 35
4.5. Магниторезисторы............................................................. 37
Лабораторная работа № 1. Исследование конденсаторов
переменной емкости..................................................................... 41
Лабораторная работа № 2. Исследование варикапа............................ 44
Лабораторная работа № 3. Исследование радиотехнических
параметров катушек индуктивности с магнитными сердечниками...... 47
Лабораторная работа № 4. Исследование катушек индуктивности
с экранами.................................................................................. 50
Лабораторная работа № 5. Исследование ультразвуковой
линии задержки.......................................................................... 53
Лабораторная работа № 6. Исследование полупроводниковых
резисторов.................................................................................. 58
66
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
2 029 Кб
Теги
nefedova, sukazov, turkic, novikov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа