Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Расчет погрешностей в данной работе не требуется.
В настоящее время в электронных приборах используются различные полупроводниковые элементы, имеющие необычные вольт-амперные характеристики (ВАХ).
В данной работе исследуется один из таких элементов – туннельный диод.
На рисунке схематически показана ВАХ туннельного диода. Наиболее интересной ее особенностью является наличие спадающей ветви между точками 1 (точка пика) и 2 (точка провала) и значения параметров в этих точках:
Задания.

Нарисуйте электрическую цепь, удовлетворяющую указанным условиям.
Проведите измерения зависимости силы тока
в исследуемой цепи от общего напряжения для цепи с резистором, сопротивление которого примерно равно 100 Ом. Измерьте точное значение этого сопротивления, укажите его величину.
2.1 Укажите, как по измеренным значениям напряжений на резисторе
Как из измеренных напряжений на резисторе и диоде получить ток и общее напряжение в цепи? Нарисуй маленькую схемку с последовательно включенными резистором и диодом и подпиши на ней измеряемые величины.
Сумма напряжений в последовательной цепи равна полному напряжению источника; ток через все элементы одинаков и связан с падением на резисторе через закон Ома. Запиши эти соотношения в общем виде.
- Запиши равенство суммарного напряжения как сумма напряжений на резисторе и на диоде.
- Запиши связь тока с падением напряжения на резисторе через
(закон Ома). - Подставь измеренные
и в эти соотношения и получи систему для и . - Вырази
и из полученной системы.
2.1. Требуемые величины рассчитываются по очевидным формулам
2.2 При проведении измерений сначала медленно и монотонно увеличивайте общее напряжение от нуля до максимального значения (при возрастании), а затем при медленном и монотонном убывании общего напряжения.
2.2 – 2.3 В этой серии использовался резистор с сопротивлением
График зависимости силы тока в цепи
Таблица результатов измерений приведена на следующей странице.
При возрастании напряжения сила тока изменяется по «траектории»
Таблица 1. Измерения при
| При увеличении напряжения | При уменьшении напряжения | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 5 | 5 | 0,05 | 985 | 530 | 1515 | 5,25 |
| 6 | 84 | 90 | 0,83 | 958 | 458 | 1416 | 4,54 |
| 8 | 100 | 108 | 0,99 | 947 | 432 | 1379 | 4,28 |
| 10 | 132 | 142 | 1,31 | 942 | 420 | 1362 | 4,16 |
| 13 | 167 | 180 | 1,66 | 925 | 383 | 1308 | 3,80 |
| 16 | 195 | 211 | 1,93 | 919 | 371 | 1290 | 3,68 |
| 21 | 258 | 279 | 2,56 | 907 | 348 | 1255 | 3,45 |
| 23 | 273 | 296 | 2,71 | 901 | 337 | 1238 | 3,34 |
| 26 | 304 | 330 | 3,01 | 894 | 325 | 1219 | 3,22 |
| 29 | 334 | 363 | 3,31 | 881 | 303 | 1184 | 3,00 |
| 30 | 354 | 384 | 3,51 | 874 | 292 | 1166 | 2,89 |
| 35 | 395 | 430 | 3,91 | 860 | 271 | 1131 | 2,69 |
| 36 | 410 | 446 | 4,06 | 846 | 252 | 1098 | 2,50 |
| 39 | 440 | 479 | 4,36 | 838 | 242 | 1080 | 2,40 |
| 41 | 455 | 496 | 4,51 | 822 | 223 | 1045 | 2,21 |
| 42 | 470 | 512 | 4,66 | 814 | 214 | 1028 | 2,12 |
| 44 | 485 | 529 | 4,81 | 806 | 205 | 1011 | 2,03 |
| 46 | 500 | 546 | 4,96 | 797 | 196 | 993 | 1,94 |
| 46 | 521 | 567 | 5,16 | 789 | 187 | 976 | 1,85 |
| 51 | 544 | 595 | 5,39 | 780 | 179 | 959 | 1,77 |
| 56 | 588 | 644 | 5,83 | 761 | 164 | 925 | 1,63 |
| 60 | 617 | 677 | 6,11 | 742 | 149 | 891 | 1,48 |
| 62 | 632 | 694 | 6,26 | 737 | 146 | 883 | 1,45 |
| 66 | 662 | 728 | 6,56 | 732 | 142 | 874 | 1,41 |
| 71 | 691 | 762 | 6,85 | 721 | 135 | 856 | 1,34 |
| 73 | 706 | 779 | 7,00 | 711 | 128 | 839 | 1,27 |
| 78 | 734 | 812 | 7,27 | 695 | 119 | 814 | 1,18 |
| 81 | 749 | 830 | 7,42 | 689 | 116 | 805 | 1,15 |
| 88 | 785 | 873 | 7,78 | 671 | 108 | 779 | 1,07 |
| 92 | 805 | 897 | 7,98 | 659 | 103 | 762 | 1,02 |
| 99 | 832 | 931 | 8,25 | 653 | 100 | 753 | 0,99 |
| 788 | 185 | 973 | 1,83 | 637 | 94 | 731 | 0,93 |
| 799 | 196 | 995 | 1,94 | 628 | 91 | 719 | 0,90 |
| 808 | 206 | 1014 | 2,04 | 614 | 87 | 701 | 0,86 |
| 819 | 217 | 1036 | 2,15 | 601 | 83 | 684 | 0,82 |
| 830 | 229 | 1059 | 2,27 | 587 | 80 | 667 | 0,79 |
| 837 | 239 | 1076 | 2,37 | 580 | 78 | 658 | 0,77 |
| 858 | 265 | 1123 | 2,63 | 558 | 75 | 633 | 0,74 |
| 871 | 285 | 1156 | 2,82 | 542 | 73 | 615 | 0,72 |
| 877 | 294 | 1171 | 2,91 | 526 | 73 | 599 | 0,72 |
| 887 | 309 | 1196 | 3,06 | 508 | 73 | 581 | 0,72 |
| 893 | 320 | 1213 | 3,17 | 46 | 501 | 547 | 4,97 |
| 899 | 330 | 1229 | 3,27 | 43 | 472 | 515 | 4,68 |
| 911 | 352 | 1263 | 3,49 | 41 | 457 | 498 | 4,53 |
| 917 | 364 | 1281 | 3,61 | 39 | 443 | 482 | 4,39 |
| 921 | 372 | 1293 | 3,69 | 38 | 428 | 466 | 4,24 |
| 933 | 396 | 1329 | 3,92 | 35 | 398 | 433 | 3,94 |
| 939 | 409 | 1348 | 4,05 | 33 | 383 | 416 | 3,80 |
| 949 | 434 | 1383 | 4,30 | 32 | 368 | 400 | 3,65 |
| 955 | 448 | 1403 | 4,44 | 30 | 353 | 383 | 3,50 |
2.3 Постройте графики полученных зависимостей
2.4 Выделите примерно линейные участки полученной зависимости, рассчитайте общее сопротивление цепи на этих участках.
2.5 Используя схематический график ВАХ диода качественно объясните полученные экспериментальные зависимости.
- Проведите измерения зависимости силы тока
в исследуемой цепи от общего напряжения для цепи с резистором, сопротивление которого примерно равно 30 Ом. Измерьте точное значение этого сопротивления, укажите его величину.
2.5 Качественное
объяснение полученной
зависимости может быть
дано на основании ВАХ
диода (см рис) На этом же
графике построены
зависимости силы тока через
резистор (которая,
естественно, равна силе тока
через диод) от напряжения
на диоде
Точки пересечения этих
графиков дают значения
силы тока в цепи. Видно, что в диапазоне напряжений от
Легко показать, что средняя ветвь в данном случае является неустойчивой, поэтому в
эксперименте не проявляется. При возрастании напряжения сила тока изменяется по
левой ветви, при убывании по правой ветви ВАХ диода.
- Вторая серия измерений проведена с резистором с сопротивлением
Ом.
Результаты измерений приведены в Таблице 2 и показаны на графике.
Таблица 2. Измерения при
| При увеличении напряжения | При уменьшении напряжения | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,0 | 4,0 | 5,0 | 0,1333 | 1235,0 | 183,1 | 1418,1 | 6,1033 |
| 18,0 | 50,0 | 68,0 | 1,6667 | 1197,0 | 136,2 | 1333,2 | 4,5400 |
| 28,0 | 74,0 | 102,0 | 2,4667 | 1169,0 | 111,9 | 1280,9 | 3,7300 |
| 33,0 | 88,0 | 121,0 | 2,9333 | 1136,0 | 90,8 | 1226,8 | 3,0267 |
| 38,0 | 100,0 | 138,0 | 3,3333 | 1100,0 | 73,7 | 1173,7 | 2,4567 |
| 48,0 | 123,0 | 171,0 | 4,1000 | 1075,0 | 64,0 | 1139,0 | 2,1333 |
| 57,0 | 148,0 | 205,0 | 4,9333 | 1048,0 | 55,0 | 1103,0 | 1,8333 |
| 68,0 | 165,0 | 233,0 | 5,5000 | 1003,0 | 43,3 | 1046,3 | 1,4433 |
| 75,0 | 178,0 | 253,0 | 5,9333 | 965,0 | 35,2 | 1000,2 | 1,1733 |
| 90,0 | 206,0 | 296,0 | 6,8667 | 935,0 | 30,1 | 965,1 | 1,0033 |
| 98,0 | 219,0 | 317,0 | 7,3000 | 920,0 | 27,6 | 947,6 | 0,9200 |
| 109,0 | 235,0 | 344,0 | 7,8333 | 883,0 | 22,5 | 905,5 | 0,7500 |
| 116,0 | 244,0 | 360,0 | 8,1333 | 858,0 | 19,7 | 877,7 | 0,6567 |
| 123,0 | 252,0 | 375,0 | 8,4000 | 826,0 | 16,6 | 842,6 | 0,5533 |
| 134,0 | 263,0 | 397,0 | 8,7667 | 810,0 | 15,3 | 825,3 | 0,5100 |
| 150,0 | 274,0 | 424,0 | 9,1333 | 794,0 | 14,1 | 808,1 | 0,4700 |
| 262,0 | 203,0 | 465,0 | 6,7667 | 786,0 | 13,6 | 799,6 | 0,4533 |
| 294,0 | 181,0 | 475,0 | 6,0333 | 753,0 | 4,7 | 757,7 | 0,1567 |
| 346,0 | 161,0 | 507,0 | 5,3667 | 727,0 | 10,5 | 737,5 | 0,3500 |
| 392,0 | 152,0 | 544,0 | 5,0667 | 703,0 | 9,7 | 712,7 | 0,3233 |
| 458,0 | 140,0 | 598,0 | 4,6667 | 676,0 | 9,1 | 685,1 | 0,3033 |
| 694,0 | 9,0 | 703,0 | 0,3000 | 642,0 | 8,7 | 650,7 | 0,2900 |
| 705,0 | 10,2 | 715,2 | 0,3400 | 442,0 | 143,7 | 585,7 | 4,7900 |
| 742,0 | 12,0 | 754,0 | 0,4000 | 417,0 | 142,0 | 559,0 | 4,7333 |
| 787,0 | 14,3 | 801,3 | 0,4767 | 375,0 | 148,5 | 523,5 | 4,9500 |
| 844,0 | 19,0 | 863,0 | 0,6333 | 313,0 | 178,6 | 491,6 | 5,9533 |
| 869,0 | 21,8 | 890,8 | 0,7267 | 211,0 | 246,0 | 457,0 | 8,2000 |
| 909,0 | 26,6 | 935,6 | 0,8867 | 148,0 | 272,0 | 420,0 | 9,0667 |
| 921,0 | 28,7 | 949,7 | 0,9567 | 139,0 | 265,0 | 404,0 | 8,8333 |
| 951,0 | 33,6 | 984,6 | 1,1200 | 133,0 | 261,0 | 394,0 | 8,7000 |
| 980,0 | 39,2 | 1019,2 | 1,3067 | 122,0 | 250,0 | 372,0 | 8,3333 |
| 1017,0 | 47,8 | 1064,8 | 1,5933 | 108,0 | 233,0 | 341,0 | 7,7667 |
| 1036,0 | 52,6 | 1088,6 | 1,7533 | 97,0 | 217,0 | 314,0 | 7,2333 |
| 1062,0 | 60,5 | 1122,5 | 2,0167 | 90,0 | 204,0 | 294,0 | 6,8000 |
| 1113,0 | 79,7 | 1192,7 | 2,6567 | 73,0 | 174,0 | 247,0 | 5,8000 |
| 1127,0 | 86,7 | 1213,7 | 2,8900 | 66,0 | 159,0 | 225,0 | 5,3000 |
| 1158,0 | 104,4 | 1262,4 | 3,4800 | 60,0 | 148,0 | 208,0 | 4,9333 |
| 1187,0 | 126,8 | 1313,8 | 4,2267 | 52,0 | 131,0 | 183,0 | 4,3667 |
| 1235,0 | 183,1 | 1418,1 | 6,1033 | 37,0 | 98,0 | 135,0 | 3,2667 |
| 28,0 | 74,0 | 102,0 | 2,4667 | ||||
| 23,0 | 62,0 | 85,0 | 2,0667 | ||||
| 1,0 | 4,0 | 5,0 | 0,1333 |
В этом случае области бистабильности нет – значения сил токов при возрастании и при убывании напряжения повторяются.
Качественное объяснение этой зависимости дает следующий график (аналогичный тому, который был рассмотрен при объяснении бистабильности). Из этого рисунка видно, что при малых сопротивлениях ВАХ диода и ВАХ резистора имеют одну точку пересечения при любых значениях общего напряжения. Поэтому в данном случае зависимость получается однозначной.
- На следующем рисунке на график нанесены все точки, значений сил токов от напряжения на диоде – эти точки и дают
- Значения сил токов и напряжений в критических точка оказываются равными:
В пике: ;мВ мкА
В провале .в мВ мкА
3.1 Проведите измерения зависимости силы тока в цепи
Повтори ту же процедуру измерений, но с меньшим сопротивлением в цепи; что изменится в поведении системы качественно?
Следуй той же методике: монотонно увеличивай и затем уменьшай
- Измерь точное значение резистора и запиши его.
- Установи начальное
и постепенно увеличивай, на каждом шаге записывай и ; вычисляй по ним и . - Дойдя до максимума, плавно уменьшай
и снова фиксируй данные в тех же шагах. - Вырази две зависимости
для возрастания и убывания, полученные при новом значении .
3.2 Постройте графики полученных зависимостей
Как на графике проявится изменение сопротивления нагрузки по сравнению с предыдущей серией? Отметь порядок нанесения точек.
Построй отдельно кривые
- Для каждой измеренной точки вычисли
и по известным формулам. - Нанеси точки на график в порядке съёмки: сначала при возрастании, потом при убывании, и соедини линии для наглядности.
- Выдели участки, где кривая изменяется скачком или где наблюдается петля гистерезиса, и отметь, какие участки соответствуют возрастанию, а какие — убыванию.
- Вырази различия в виде графиков и отметь, как уменьшение
повлияло на форму зависимостей.
3.3 Используя схематический график ВАХ диода качественно объясните полученные экспериментальные зависимости.
Используя все экспериментальные данные, постройте ВАХ исследуемого туннельного диода.
Определите значения параметров:
- напряжение и сила тока пика; - напряжение и сила тока провала.



