Учебным организациям ДОСААФ и радио кружкам

ХАРАКТЕРИОГРАФ И РАБОТА С НИМ

Изображение на экране осциллографа получается в результате перемещения светящейся точки, движущейся одновременно в горизонтальном и вертикальном направлениях. Движение по горизонтали обычно осуществляется внутренним генератором развертки осциллографа. Характер этого движения хорошо виден при включении генератора на самую малую частоту развертки: слева направо точка движется равномерно, а дойдя до края экрана, она очень быстро возвращается в исходное положение и вновь движется равномерно слева направо. С увеличением частоты развертки точка движется все быстрее, и при частоте 16—20 Гц наш глаз воспринимает ее как сплошную линию. Движение по вертикали обусловлено напряжением, подаваемым на вход усилителя вертикального отклонения луча осциллографа (вход Y). Чем быстрее изменяется это напряжение, тем быстрее движется светящаяся точка; чем больше его амплитуда, тем дальше от горизонтальной оси экрана отклонится точка вверх или вниз. В результате одновременного движения, по горизонтали и вертикали светящаяся точка рисует на экране осциллографа график зависимости мгновенного напряжения сигнала от времени.

У большинства осциллографов есть еще и вход усилителя горизонтального отклонения луча (вход X) для обеспечения развертки внешним сигналом. Нет такого входа только у самых простых осциллографов, например ЛО-70. В этом случае можно воспользоваться несложной приставкой, описание которой можно найти в литературе (см., например, Радио, 1972, № 11). Если на два входа осциллографа подать два напряжения, одно из которых обусловлено другим, то на экране электроннолучевой трубки появится график зависимости одного напряжения от другого.

С помощью соответствующего датчика в.напряжение можно преобразовать практически любой параметр — механический, химический, магнитный, электрический.

Проще всего преобразовать в напряжение электрический ток. Для этого ток нужно пропустить через резистор, на котором, в соответствии с законом Ома, возникнет напряжение, пропорциональное силе тока и сопротивлению резистора. Резистор можно включить последовательно с каким-либо элементом — полупроводниковым диодом, транзистором, тринистором или другим прибором. И в этом случае на резисторе появится напряжение, пропорциональное току, протекающему через исследуемый элемент. Подав на вход X напряжение, снятое с выводов элемента, а на вход Y — с резистора, получим на экране осциллографа график зависимости тока через элемент от напряжения на эгом элементе (при условии, что напряжение будет изменяться в нужных для испытания пределах и достаточно быстро, чтобы мелькания изображения были незаметны для глаза). Этот график и будет вольтамперной характеристикой данного элемента.

Для наблюдения вольтамперных характеристик на экранах универсальных осциллографов радиолюбители используют специальные приставки — характериографы. Характериографы бывают разной сложности. Более сложные позволяют видеть на экране осциллографа семейство характеристик — одновременно до 10—20 характеристик, например выходных характеристик транзистора при разных токах базы.

Рис. 1. Принципиальная схема характериографа

На рис. 1 приведена принципиальная схема сравнительно простого характериографа, рассчитанного на совместную работу с любым осциллографом, имеющим входы X и Y. Он позволяет снимать вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов, полевых и биполярных транзисторов малой и средней мощности, тринисторов, резисторов, фоторезисторов и ряда других элементов.

Приставка состоит из двух функционально обособленных узлов: собственно характериографа и источника тока смещения исследуемого элемента, подключаемого к зажимам Х2—Х4. Напряжение на характериограф подается с обмотки 11 трансформатора питания Т1 через ограничительный резистор R5 и диоды V2, V3. Амплитуду напряжения устанавливают переменным резистором R6. Одновременно резисторы R5 и R6 образуют делитель напряжения, о влиянии которого надо помнить. Диоды V2 и V3 определяют полярность напряжения (относительно земли), поступающего на исследуемый элемент. При замкнутых контактах тумблера S4 напряжение на исследуемом элементе изменяется с частотой 50 Гц от нуля до +30 В, при замкнутых контактах только тумблера S5 — от 0 до —30 Б. Если замкнуты контакты обоих тумблеров, то напряжение на исследуемом элементе изменяется от +30 до —30 В. Предположим, что к зажиму ХЗ подключен анод, а к зажиму Х4 — катод кремниевого стабилитрона Д814. Тогда в первом случае (когда замкнуты контакты только тумблера S4) мы получим прямую ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона (рис. 2, а), во втором (замкнуты контакты только тумблера S5) —обратную ветвь (рис..2,б), а в третьем случае (замкнуты контакты обоих тумблеров) — обе ветви характеристики стабилитрона (рис. 2, в).

Рис. 2. Вольтамперные характеристики стабилитрона Д810: я —прямая ветвь; б — обратная ветвь; в —полная характеристика; г — изменённая обратная ветвь, используемая для калибровки масштабов

Особый интерес представляет обратная ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона Д814. Известно, что электрический пробой этого стабилитрона происходит при напряжении 10 В. Этому моменту соответствует точка резкого перегиба вольтамперной характеристики. Следовательно, длина горизонтальной линии графика на экране осциллографа соответствует напряжению 10 В, что можно использовать для калибровки прибора по напряжению. Нужно лишь установить ручку регулировки чувствительности усилителя горизонтального отклонения луча осциллографа в положение, при котором длина горизонтальной линии равна 10 или 5 см. Откалиброванный таким образом прибор можно, использовать не только для качественной, но и. для количественной оценки вольтамперных характеристик по напряжению. Для этого в характериограф введен тумблер S6, который в положении Калибровка подключает к характериографу стабилитрон V4.

Напряжение на вход Y осциллографа подается с последовательно соединенных резисторов R7 и R8 или при замкнутых контактах тумблера S7, только с резистора R8. В первом случае падение напряжения происходит на сопротивлении, равном 10 кОм, во втором — 1 кОм. Тумблер S6 в положении Калибровка подключает параллельно этим резисторам стабилитрон V5 типа Д810. Это позволяет ограничить напряжение на них до 10 В и калибровать прибор по току. При таком напряжении через последовательно соединенные резисторы R7 и R8 (10 кОм) протекает ток 1 мА, а при замкнутых контактах тумблера S7 только через резистор R8 (1 кОм) — 10 мА. Следовательно, длина вертикальной линии на экране осциллографа (рис. 2, г) соответствует при разомкнутых контактах тумблера S7 1 мА, при замкнутых— 10 мА. При калибровке прибора контакты тумблера S4 должны быть разомкнуты, а контакты S5 — замкнуты (чтобы выделить только обратную ветвь характеристики стабилитрона V4).

Выделять одну из ветвей характеристики нужно не только при калибровке. Некоторые элементы могут работать лишь при одной полярности напряжения. Установить нужную полярность можно тумблерами S4 и S5, Если ветвь характеристики одна, то она обязательно выходит из начала координат, выделенного к тому же яркой точкой. Найти начало координат на характеристике, состоящей из двух ветвей, трудно, так как оно ничем не отличается от остальных точек графика. Установить начало координат в какую-то определенную точку экрана также невозможно, так как оно определяется постоянной составляющей напряжений, поступающих на входы X и Y.

Светящаяся точка перемещается по экрану не равномерно. Там, где она движется быстрее, остается след в виде менее яркой и толстой линии, а там,, где медленнее,— в виде более яркой и толстой. В некоторых же местах она останавливается, и тогда там появляется яркая точка, заметно отличающаяся от остальных точек графика. Так, при замыкании контактов только одного из тумблеров S4 или 55 светящаяся точка стоит в начале координат не менее половины всего времени. Намного меньше, но все же вполне достаточно, она стоит в конце вертикальной линии изображения, приведенного на рис. 2, г.

Надо сказать, что при работе с описываемой приставкой вольтамперные характеристики исследуемых элементов рисуются на экране осциллографа не в том виде, как показано на рис. 2 или изображаются в справочниках, а перевернутыми. Это, конечно, неудобно. Поправить положение можно с помощью зеркала, приложенного перпендикулярно экрану. Лучше, однако, дополнить осциллограф двумя тумблерами, с помощью которых можно менять местами проводники пластин вертикального и горизонтального отклонения луча электронно-лучевой трубки и тем самым устанавливать график в любое удобное положение. У осциллографа С1-1, наиболее широко используемого для учебных целей, на задней стенке корпуса есть три тумблера, которыми пользуются очень редко. Два из них, помеченные знаками X и Y, вполне можно приспособить для этой цели

Все последующие иллюстрации в статье, как и на рис, 2, показаны в исправленном виде.

Рис. 3. Примеры характеристик двухполюсных элементов: а — резистора; б — г — прямые ветви германиевого, кремниевого и туннельного диодов

Снятие вольтамперных характеристик других элементов с двумя выводами не отличается от описанного здесь применительно к стабилитрону. Для примера на рис. 3 показаны осциллограммы вольтамперных характеристик резистора (а) и прямые ветви характеристик германиевого (б), кремниевого (в) и туннельного (г) диодов.

Вольтамперные характеристики различных транзисторов и тринисторов снимать не сложнее. Разница только в том, что в управляющие цепи этих элементов подают дополнительное постоянное напряжение (или ток) от однополуперйодного вьдоямителя на диоде VI. Это напряжение или ток поступает на электроды исследуемого элемента через резистор R2, микроамперметр РА1, переключатель полярности S3 и зажимы Х2, Х4. Резистор R2 ограничивает ток в цепи, а микроамперметр РА1;

измеряет этот ток. Переключателем S2 резистор R2 и микроамперметр можно зашунтировать резисторами R3 или R4, сопротивления которых в 100 и 10 раз меньше сопротивления этого участка цепи. При этом во столько же раз изменяется предел измерения силы тока по шкале прибора РА1.

К разъему X1 можно подключить внешний вольтметр для измерения выходного напряжения дополнительного источника постоянного тока. Это бывает нужно, например, при исследовании вольтамперных характеристик); полевого транзистора.

Приведем несколько примеров снятия вольтамперных характеристик некоторых транзисторов и тринистора.

На рис. 4, а показана осциллограмма выходной вольтамперной характеристики транзистора TT4Q4F (n -p -n ), включенного по схеме ОЭ, при токе базы, измеренном микроамперметром РА1 и равном 50 мкА.

Рис. 4. Примеры выходных характеристик транзисторов:

а ГТ404Г, включенного по схеме ОЭ; б — ГТ404Г, включенного по схеме ОБ; в —полевого транзистора КПЗОЗЖ. включенного по схеме ОИ; г — то же, при нулевом напряжении на затворе

База исследуемого транзистора j подключена к зажиму Х2, эмиттер — к зажиму Х4, коллектор — к зажиму ХЗ. Контакты тумблера S4 замкнуты, а тумблера S5 разомкнуты, поэтому полярность напряжения на коллекторе и базе транзистора относительно эмиттера положительная. Ток базы установлен резистором R1. Контакты переключателя S2 соответствуют положению, показанному на схеме (см. рис. 1), контакты переключателя S7 замкнуты. Перед исследованием осциллограф откалиброван по напряжению и току так, чтобы чувствительность характе-риографа по оси X была 2 В/ем, а по оси 7 —2 мА/см.

На рис. 4, б показана вольтамперная характеристика того же транзистора, но включенного по схеме ОБ, при токе эмиттера, равном 7 мА. База транзистора подключена к зажиму Х4, коллектор -— к зажиму ХЗ, эмиттер — к зажиму Х2. Переключатель-.S2 в положении 10 мА, переключатель S3 — в нижнем (по схеме) положении, контакты тумблеров S4 и S7 замкнуты, тумблера S5 — разомкнуты.

Входные характеристики того же транзистора в схеме ОЭ мало чем отличаются от характеристики германиевого диода, показанной на рис. 3, б. Чтобы увидеть входную характеристику этого транзистора, включенного по схеме ОЭ, эмиттер надо подключить к зажиму Х4, базу—к зажиму ХЗ, коллектор — к зажиму Х2, переключатель S2" установить в положение 10 мА, переключатель S3 — в положение +, контакты тумблеров S4 и S7 замкнуть, тумблера S5 — разомкнуть. Изменяя. ток смещения резистором R1, нетрудно убедиться, что эта характеристика почти не зависит от напряжения на коллекторе и коллекторного тока.

Рис. 6. Характериограф: а - внешний вид; б — расположение деталей в корпусе

На рис. 4, в приведена осциллограмма выходной вольтамперной характеристики полевого транзистора КПЗОЗЖ, включенного по схеме ОИ. Сток, затвор и исток подключены соответственно к зажимам Х3, Х2 и Х4. Переключатель S3— в положении —, контакты тумблера S4 — замкнуты, тумблеров 55 и 57—разомкнуты. Чувствительность прибора по оси X — 5 В/см, по оси У — 0,5 мА/см. Характеристика того же транзистора при нулевом напряжении на затворе (переключатель S2— в положении О) изображена на рис. 4, г. Для исследования тринистора его анод, управляющий электрод и катод подключают соответственно к зажимам ХЗ, Х2 и Х4. Если нужно получить только прямую ветвь характеристики (рис. 5), переключатель S2 устанавливают в положение О, контакты S4 замыка-ют, а S5 — размыкают. Когда же надо получить обе ветви, то контакты тумблера 55 замыкают, а положения остальных переключателей и движков резисторов R1 и R6 устанавливают опытным путем.

Характериограф собран в пластмассовом корпусе раз мерами 265 X 125 X 60 мм. Его внешний вид и вид на монтаж показаны на рис. 6. В приборе использованы переменные резисторы R1 и R6— СП-1, переключатель 52 — галетный 5П2Н, 53, S4 и 57 — тумблеры, микроамперметр РА1-М2003 на ток полного отклонения стрелки 100 мкА. Трансформатор питания Т1 намотан, на магнитопроводе Ш.16 X 22; обмотка I содержит 3000 витков провода ПЭВ-1 0,12, обмотки II и III соответственно 500 и 200 витков провода ПЭВ-1 0,18.