Основные принципы работы и техническая эксплуатация лабораторного комплекса

Лабораторный аппаратно-программный комплекс предназначен для исследования биполярных структур и позволяет исследовать основные статические характеристики диодов, стабилитронов и транзисторов. Он представляет собой автоматизированное рабочее место для 2-3 обучающихся. Комплекс условно состоит из двух основных частей: программной и аппаратной части. Программная часть преимущественно реализована на вычислительной базе персонального компьютера, где выполняется программная обработки результатов измерений, осуществляемых в реальном масштабе времени аппаратным измерительным блоком, выполненной в виде отдельного устройства.

В комплексе по изучению биполярных структур установка смещения осуществляется с помощью управляемого источника тока.

Структурная схема измерительного блока представлена на рисунке 7.1а. С помощью переключателя «Режим развертки «Х» устанавливается режим ручной или автоматической развертки. В первом случае напряжение управляется с помощью регулятора «Ручная» развертка. Пределы ручной регулировки составляет от +100В до -100В.

Рис 7.1а. Структурная схема лабораторного комплекса для исследования биполярных структур

Рис. 7.1б. Структурная схема лабораторного комплекса для исследования униполярных структур

В режиме автоматической развертки генератор линейно-нарастающего напряжения формирует низкочастотный сигнал пилообразной формы, который подается на усилитель с программируемым коэффициентом усиления, и затем поступает на вход высоковольтного усилителя. В зависимости от положения галетного переключателя «Масштаб «Х»» размах линейно-нарастающего напряжения на выходе усилителя может составлять 5В, 15 В, 50В, 100В. В., С выхода высоковольтного усилителя сигнал подается контакты разъема Р2, а также на управляемый аттенюатор и АЦП канала напряжения.

Измерительный щуп, подключаемый к разъему Р2, имеет три механических зажима:

КРАСНЫЙ провод соответствует выходу канала НАПРЯЖЕНИЯ;

СИНИЙ провод соответствует входу каналу ТОКА;

БЕЛЫЙ провод соответствует цепи СМЕЩЕНИЯ

Следует помнить, что даже при заземленном корпусе установки, линейно-нарастающее напряжение на выходе канала напряжения с амплитудой 50В и выше может быть опасно для жизни. При действующей установке категорически запрещается производить какие-то либо манипуляции с измерительным щупом (переключение или замена исследуемых образцов и т.д.). Разрешается прикасаться к измерительному щупу только спустя 20 секунд после выключения установки, когда индикаторы контроля блока питания «+100В» и «-100В» полностью перестанут светиться. Также следует соблюдать осторожность при работе с нагревательным элементом, входящем в состав лабораторного комплекса, поскольку его открытые поверхности могут нагреваться до высоких температур, прикосновение к которым могут вызвать термический ожог.

В процессе исследования вольтамперной характеристики к измерительному щупу подключают исследуемый образец – один из контактов образца- двухполюсника, (например анод диода, стабилитрона). Другой контакт двухполюсника (например, катод) подключают к каналу тока. Если же объект исследования представляет сложный элемент - трехполюсник, то выход канала напряжения подключают исходя из требований эксперимента (например, при измерении выходных характеристик биполярного транзистора канал напряжения подключают к коллектору, канал тока - к эмиттеру, а смещение – к базе исследуемого транзистора). Возможные варианты подключения образцов представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Возможные варианты подключения образцов к измерительному щупу

Рис. 7.3. Расположение органов управления измерительного блока комплекса исследования характеристик биполярных полупроводниковых структур

1. Потенциометр установки напряжения на выходе канала напряжения (±100 В). Действует только в режиме ручной развертки.

2. Тумблер выбора режима развертки. В левом положении тумблера включается режим ручной развертки, в правом положении – автоматической развертки. Текущий режим индицируют светодиоды. В среднем положении тумблера развертка отключена.

3. Галетный переключатель управления программируемым усилителем канала напряжения. Задает амплитуду напряжения на выходе высоковольтного напряжения. Следует помнить, что при положении переключателя более ±15В напряжение на выходе канала напряжения может быть опасно для жизни.

4. Галетный переключатель управления программируемым усилителем канала тока. Задает масштаб усиления канала тока.

5. Панель блока питания индицируют контрольные напряжения блока питания. Следует помнить, что какие-либо манипуляции с измерительным щупом разрешаются только при отключении питания установки (тумблер 15) после полного прекращения свечения индикаторов «+100В» и «-100В».

6. Потенциометр установки смещения управляющего электрода исследуемых образцов. В случае изучения биполярных транзисторов потенциометр устанавливает ток базы.

7. Тумблер включения питания микроамперметра тока смещения. С целью снижения влияния сетевых помех питание прецизионного микроамперметра осуществляется от литиевой батареи, установленной на задней панели измерительного блока. Емкости литиевой батареи обеспечивает минимум один год непрерывной работы микроамперметра.

8. Прецизионный микроамперметр индицирующий значение тока (0-10 мA) смещения управляющего электрода.

9. Тумблер полярности включения микроамперметра. В левом положении тумблера устанавливается отрицательная полярность микроамперметра, в правом положении соответственно положительная полярность.

10. Регулятор установки динамического ограничения тока. Определяет максимальный ток, протекающий в положительной цепи питания (+100В) высоковольтного усилителя. Режим ограничения тока индицируется светодиодом «защита».

11. Регулятор установки динамического ограничения тока. Определяет максимальный ток, протекающий в положительной цепи питания (-100В) высоковольтного усилителя. Режим ограничения тока индицируется светодиодом «защита».

12. Контакты силовой цепи управления внешнего нагревателя. При включенном электропитании измерительного блока не рекомендуется осуществлять коммутацию контактов нагревателя, поскольку его рабочее напряжение составляет 220 В.

13. Потенциометр установки температуры. Осуществляет управление автоматической системой управления нагревателя.

14. Панель подключения сети питания.

15. COM- интерфейс компьютера. Обозначение разъема – Р1. Внимание! Несмотря на то, что в разъемах Р1, Р2, Р3 задействованы различные группы контактов, высокое напряжение, достигающее 100 В на контактах разъема Р2 измерительного щупа в следствии утечки при ошибочном подключение СОМ – порта компьютера к разъему измерительного щупа P2 может повредить компьютер.

16. USB – интерфейс компьютера. Обозначение разъема – Р1.

17. Разъем P2 подключения измерительного щупа.

Внимание! На контактах разъема может присутствовать напряжение до 100 В.

18. Разъем Р3 подключения датчика температуры нагревательного элемента. Внимание! Ошибочное подключение датчика температуры к разъему измерительного щупа Р2 может повредить датчик температуры.

Рис. 7.4. Расположение органов управления измерительного блока исследования характеристик униполярных полупроводниковых структур

1. Потенциометр установки напряжения на выходе канала напряжения (±100 В). Действует только в режиме ручной развертки.

2. Тумблер выбора режима развертки. В левом положении тумблера включается режим ручной развертки, в правом положении – автоматической развертки. Текущий режим индицируют светодиоды. В среднем положении тумблера развертка отключена.

3. Галетный переключатель управления программируемым усилителем канала напряжения. Задает амплитуду напряжения на выходе высоковольтного напряжения. Следует помнить, что при положении переключателя более ±15В напряжение на выходе канала напряжения может быть опасно для жизни.

4. Галетный переключатель управления программируемым усилителем канала тока. Задает масштаб усиления канала тока.

5. Панель блока питания индицируют контрольные напряжения блока питания. Следует помнить, что какие-либо манипуляции с измерительным щупом разрешаются только при отключении питания установки (тумблер 15) после полного прекращения свечения индикаторов «+100В» и «-100В».

6. Потенциометр установки смещения управляющего электрода исследуемых образцов. В случае изучения биполярных транзисторов потенциометр устанавливает ток базы.

7. Цифровой вольтметр индицирующий текущее значение напряжение смещения.

8. Тумблер полярности включения вольтметра. В левом положении тумблера устанавливается отрицательная полярность вольтметра, – в правом положении соответственно положительная полярность.

9. Регулятор установки динамического ограничения тока. Определяет максимальный ток, протекающий в положительной цепи питания (+100В) высоковольтного усилителя. Режим ограничения тока индицируется светодиодом «защита».

10. Регулятор установки динамического ограничения тока. Определяет максимальный ток, протекающий в положительной цепи питания (-100В) высоковольтного усилителя. Режим ограничения тока индицируется светодиодом «защита».

11. Контакты силовой цепи управления внешнего нагревателя. При включенном электропитании измерительного блока не рекомендуется осуществлять коммутацию контактов нагревателя, поскольку его рабочее напряжение составляет 220 В.

12. Потенциометр установки температуры. Осуществляет управление автоматической системой управления нагревателя.

13. Панель подключения сети питания.

14. COM- интерфейс компьютера. Обозначение разъема – Р1. Внимание! Несмотря на то, что в разъемах Р1, Р2, Р3 задействованы различные группы контактов, высокое напряжение, достигающее 100 В на контактах разъема Р2 измерительного щупа в следствии утечки при ошибочном подключение СОМ – порта компьютера к разъему измерительного щупа P2 может повредить компьютер.

15. USB – интерфейс компьютера. Обозначение разъема – Р1.

16. Разъем P2 подключения измерительного щупа. Внимание! На контактах разъема может присутствовать напряжение до 100 В.

17. Разъем Р3 подключения датчика температуры нагревательного элемента.

Внимание! Ошибочное подключение датчика температуры к разъему измерительного щупа Р2 может повредить датчик температуры!

Последовательность проведения измерений.

1. Включить измерительный блок не менее чем за 15 минут до начала измерений. Такой предварительный «прогрев» установки позволит снизить систематические погрешности измерений.

2. Выключить установку. К разъему Р2 подключить измерительный щуп. Согласно рис. 2. подключить исследуемый транзистор к измерительному щупу. Подключить внешний нагревательный элемент к силовым клеймам (12 рисунок 7.3). Установить контейнер с измеряемым образцом на нагревательный элемент.

3. Установить регуляторы «Напряжение смещения» (6 рисунок 7.3), «Ручная» (развертка) (1 рисунок 7.3), «Установка тока защиты» (10 и 11 рисунок 7.3) в среднее положение. Установить потенциометр «Регулятор температуры» (13 рисунок 7.3) в крайнее левое положение.

4. Установить переключатель «Масштаб «Х» (3 рисунок 7.3) в положение «5 В», а переключатель «Масштаб «Y» (4 рисунок 7.3) в положение «5 mA».

5. Включить питание микроамперметра, установив переключатель (7 рисунок 7.3) в верхнее положение.

6. Установить режим автоматической развертки, установив переключатель 2 в крайнее правое положение.

7. Переключателем (14 рисунок 7.3) включить питание измерительного блока, при этом должны светится светодиоды панели «Контроль блока питания» (5 рисунок 7.3) и должен быть слышен звук работы вентилятора охлаждения.

8. Запустить и инициализировать программу обработки результатов измерения на компьютера. В программном меню наблюдать измеряемую вольт-амперную характеристику образца. Особенности работы с программой обработки результатов описана в соответствующем разделе.

9. С помощью регулятора температуры (13 рисунок 7.3) установить необходимую температуру нагрева образца.

10. В процессе измерений с помощью переключателя (3 рисунок 7.3) можно изменять масштаб «Х» (размах амплитуды канала напряжения), а также масштаб «Y» (4 рисунок 7.3). В зависимости от требований эксперимента, возможно, регулировать ток смещения базы (регулятор 6 рисунок 7.3) (или аналогичный регулятор напряжения 6 рисунок 7.3), контролируя ток с помощью микроамперметра (8 рисунок 7.3) (или в аналогичном измерительном блоке – вольтметр). Возможно, осуществлять раздельное регулирование порога тока защиты как в положительном значении напряжений (10 рисунок 7.3), так и в отрицательной области (11 рисунок 7.3), однако при этом следует соблюдать осторожность, чтобы максимальное значение тока не превышало допустимые значения тока образца

Литература

1. Лабораторный комплекс для исследования характеристик полупроводниковых структур ЭЛБ-ПС-1. Методические указания к лабораторному практикуму. © ООО «ЭнергияЛаб» www.vrnlab.ru.

2. Твердотельная электроника: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/[Э.Н. Воронков, А.М. Гуляев, И.Н. Мирошникова, Н.А. Чарыков]. – М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 320 с.

3. Твердотельная электроника. Лабораторные работы: методическое пособие / Э.Н. Воронков, О.Б. Сарач, Н.А. Чарыков. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 28 с.

4. Гаврилин В.И., Горюнов Н.Н., Огнев А.Н., Попов И.А., Чарыков Н.А., Чирков В.Г. Полупроводниковые диоды Учебное пособие под ред. Н.А. Чарыкова. – М.: Издательство МЭИ, 1997.

5. Воронков Э.Н., Зенова Е.В. Полевые транзисторы/Учебное пособие М.: Издательство МЭИ. 2004. 60 с.

6. Огнев А.Н., Чарыков Н.А., Гаврилин В.И. Исследование статических характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Лабораторная работа №7. – М.: Издательство МЭИ, 1994.

7. Огнев А.Н., Чарыков Н.А., Гаврилин В.И. Исследование статических характеристик МДП транзистора с индуцированным каналом. Лабораторная работа №8. – М.: Издательство МЭИ, 1994.