Работа З. Исследование свойств варисторов

Работа З. Исследование свойств варисторов. Цель работы - исследование основных свойств варисторов и иллюстрация их практического применения. 1. Краткие сведения из теорииваристором называется нелинейный полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от приложенного напряжения.

Варисторы изготавливаются из размолотого карбида кремния SiC с добавкой связующего вещества.

Причинами, обусловливающими нелинейность вольтамперной характеристики варистора, являются - микронагрев контактов между отдельными зернами карбида кремния, приводящий к возрастанию проводимости элемента во всем объеме - увеличение проводимости вследствие частичного пробоя оксидных пленок, покрывающих зерна карбида кремния, при напряженностях электрического поля E 105 106 В м - существование на поверхности зерен карбида кремния запирающих р-п-переходов, обусловленных различным характером электропроводности по поверхности и в объеме отдельного зерна SiC. ВАХ варистора рис. 3.1 , как и всякого нелинейного резистора, в рабочей точке точка А характеризуется статическим и дифференциальным сопротивлениями 3.1 где МU, MI - масштабы по осям координат.

Степень нелинейности ВАХ оценивается коэффициентом нелинейности , 3.2 который у варисторов довольно велик 2 7 и несколько меняется в различных точках ВАХ. Разделяя переменные в выражении 3.2 и интегрируя, можно получить аналитическую аппроксимацию ВАХ варистора , 3.3 где В - постоянная, зависящая от свойств полупроводникового материала и геометрических размеров варистора.

Варисторы широко применяются в технике для защиты от перенапряжений искрогасители, в стабилизаторах и ограничителях напряжения, в преобразователях сигнала умножители частоты. В данной работе исследуется мостовой стабилизатор напряжения на варисторах рис. 3.2 . напряжение на выходе стабилизатора равно разности напряжений на варисторе U и на линейном резисторе UR Uвых U - UR. С ростом входного напряжения Uвх растет ток в элементах моста.

Выходное напряжение, как видно из рис. 3.3, вначале увеличивается, затем падает до нуля и после изменения знака снова растет по абсолютной величине.

Внешняя характеристика стабилизатора Uвых Uвх в режиме холостого хода приведена на рис. 3.4. Выходное напряжение остается приблизительно постоянным при изменении входного напряжения от Uвх1 до Uвх2, когда величина дифференциального сопротивления варистора равна или близка к величине сопротивления линейного резистора.

Количественной оценкой стабилизации напряжения является коэффициент стабилизации 3.4 При синусоидальном входном напряжении мост стабилизирует действующее значение выходного напряжения. Последнее содержит третью гармонику, удельный вес которой возрастает с ростом амплитуды входного напряжения. 2. Описание экспериментальной установкиВольтамперные характеристики варистора снимаются по схеме рис. 2.5. Осциллографическое исследование варистора проводится по схеме рис. 3.5. Измерительной цепь питается от задающего генератора ЗГ. Переключатель П подключает на вход осциллографа ЭО варистор или для масштабирования осциллографа линейный резистор R. на вертикальные пластины ЭО подается напряжение с линейного резистора Rо, пропорциональное току через варистор, на горизонтальные пластины - напряжение на варисторе.

Таким образом, на экране осциллографа воспроизводится динамическая ВАХ исследуемого элемента.

Входное напряжение измеряется цифровым вольтметром V. Исследование мостового стабилизатора на варисторах проводится по схеме рис.3.6. Питание осуществляется или от источника постоянного напряжения, или от задающего генератора в зависимость от положения переключателя П1. Переключатель П2 служит для переключения вольтметра и осциллографа к входным или выходным зажимам моста. 3. Порядок выполнения работы3.1 Снятие вольтамперной характеристики варистора на постоянном токе Подать питание на измерительную схему рис. 2.5. Изменяя входное напряжение от 0 до 60 В, замерить и записать в табл. 3.1 значения тока через варистор 6 8 точек. Таблица 3.1 Oпыт Расчет U I rct Rд В мА Ом - 3.2 Осциллографическое исследование варистора.

Подать питание на схему рис.3.5. Зарисовывать на кальку ВАХ варистора при напряжении на входе 60 В. Определить масштабы по току по оси у и по напряжению по оси x для чего, не трогая регуляторов усиления осциллографа, переключатель П1 перевести в положение 2 . На экране осциллографа получится наклонная прямая - ВАХ линейного резистора.

Регулируя напряжение, добиться того, чтобы ее крайние точки не выходили за пределы экрана осциллографа.

Масштабы при R Ro рассчитываются следующим образом 3.5 где U - напряжение, измеренное вольтметром, X, Y - проекции ВАХ на оси х, у. 3.3 Исследование мостового стабилизатора напряжения на варисторах Опыт проводится по схеме рис. 3.6 в режиме холостого хода Rн . а Исследование моста на постоянном токе. Отключить осциллограф рубильником К. Переключатель П2 установить в положение 1 . Подключить к схеме источник постоянного напряжения и регулируя его напряжение, установить по цифровому вольтметру V напряжение Uвх на входе стабилизатора 10 В. Установить переключатель П2 в положение 2 и измерить напряжение Uвых на выходе стабилизатора.

Провести аналогичные измерения при увеличении входного напряжения до 80 В через 10 В . Результаты опыта занести в табл.3.2. Коэффициент стабилизации рассчитывается по формуле 3.4. Таблица 3.2 Uвх, В Uвых , В Uвых , В Kст Kст 0 0 0 10 20 80 После проведения опытов отключить от схемы источник постоянного напряжения. б Исследование моста на переменном токе. Включить осциллограф и подключить его к исследуемой цепи, замкнув рубильник К. Переключить клеммы и переключатель рода работы цифрового вольтметра в режим измерения переменного напряжения.

Подать на вход схемы переменное напряжение от задающего генератора ЗГ и провести измерения, аналогичные п. 3.3.а. Результаты измерений занести в табл. 3.2. Для трех значений напряжения, соответствующих участкам ab, bc и cd на рис.3.4, снять на кальку осциллограммы напряжений Uвых t . 4. Оформление отчета1. Привести схемы экспериментальных установок, данные измерительных приборов и исследуемых элементов, а также таблицы с результатами измерений и вычислений. 2. По данным таблицы 3.1 построить ВАХ варистора, снятую на постоянном токе. 3. Построить с указанием масштабов по осям ВАХ варистора на переменном токе. 4. По данным табл. 3.2 построить характеристики вход-выход стабилизатора напряжения Uвых Uвх, снятые на постоянном и переменном токе. 5. Привести качественные осциллограммы напряжений на выходе мостового стабилизатора. 6. Дать краткие выводы по работе.

Контрольные вопросы.1. Что называется варистором? Из каких материалов их изготавливают? 2. Чем обусловлена нелинейность ВАХ варистора? 3. Что такое степень нелинейности и как используя этот параметр можно аппроксимировать ВАХ варистора? 4. Где применяют варисторы и почему? 5. Как устроен и как работает мостовой стабилизатор напряжения на варисторах? 6. Каким параметром оцениваются стабилизирующие свойства стабилизатора напряжения? 7. Как степень нелинейности ВАХ варистора влияет на величину коэффициента стабилизации? 8. Как получить ВАХ варистора на экране осциллографа? Работа 4.