Исследование биполярных процессов переноса тока в тлеющем разряде
Описание лабораторной установки и практические задания
Устройство лабораторной установки
Внешний вид установки можно увидеть на рис. 1, а её схему – на рис. 2.
Рис. 1.
Регулируемый стабилизатор тока (1) позволяет поддерживать через газоразрядную трубку (2) постоянный ток. Ток и измеряется миллиамперметром (А), напряжение разряда измеряется вольтметром (V), оба прибора реализованы в составе мультиметра (3). Сборка экспериментальной схемы производится с помощью соединительных проводов (4).
Рис. 2.
1. Регулируемый стабилизатор тока
Теоретически стабилизатор тока представляет собой источник питания с бесконечно большим выходным сопротивлением и бесконечно большим выходным напряжением. Не путайте его со стабилизатором напряжения, который имеет нулевое выходное сопротивление и может выдать бесконечно большой ток (в теории, конечно). Перепутать их всё равно, что перепутать собаку с кошкой!!
В качестве управляющего элемента стабилизатора тока используется биполярный транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером. Резистором Rб можно изменять ток базы транзистора, что вызывает изменение тока коллектора транзистора (от 0 до 5 мА), в цепь которого включается газоразрядная трубка. В данной схеме определяющим является свойство транзистора поддерживать ток коллектора независимо от напряжения на коллекторе, естественно, в определённом диапазоне и с определённой точностью (см. рис. 3).
`
Рис. 3.
Для увеличения стабильности значения тока через газоразрядную трубку служит резистор Rэ, через который осуществляется отрицательная обратная связь по току: если, например, сопротивление газоразрядной трубки увеличится (при увеличении расстояния между электродами), ток в цепи уменьшится, что приведёт к увеличению тока базы транзистора Iб, т. к.
Iб = (U1 – Rэ*Iк) / (Rб + Rбэ), где Rбэ – сопротивление перехода база-эмиттер.
Увеличение тока базы увеличит ток коллектора, а значит, и ток тлеющего разряда до прежней величины.
5.2. Газоразрядная трубка
Трубка, в которой горит тлеющий разряд, представляет собой стеклянный цилиндр, заполненный неоном под давлением около 1 мм рт. ст. Один из электродов подвижный, что позволяет изменять расстояние между электродами для снятия зависимости напряжения горения от расстояния между электродами. Изменение расстояния между электродами производится эксклюзивной комбинацией методов наклонения трубки в нужную сторону, потряхивания и постукивания. Для измерения расстояния между электродами служит линейка, прикреплённая вдоль газоразрядной трубки.
5.3. Мультиметр
Для измерения тока разряда и падения напряжения на нём используется мультиметр Tectronix DMM 4020. Инструкцию по использованию мильтиметра читайте по этой ссылке.
Практические задания
1. Снять зависимость напряжения горения разряда от расстояния между катодом и анодом для трёх значений тока разряда:
1 мА,
2 мА и
3 мА.
2. По полученным экспериментальным данным построить кривые распределения потенциала в трубке.
3. Отметить приблизительно границы положительного столба.
4. Из снятых характеристик определить катодное падение потенциала и продольный градиент потенциала в положительном столбе.
5. Убедиться, что с ростом силы тока падение потенциала в положительном столбе уменьшается.
6. Снять вольтамперную характеристику тлеющего разряда. Интерес представляет начальный N-образный участок ВАХ.
7. Изобразить в графическом виде полученные результаты.
Техника безопасности
1. В лабораторной установке используются опасное для жизни напряжение.
2. Сборку, разборку и любые изменения в схеме следует производить только при выключенном питании. После выключения питания необходимо убедиться в отсутствии напряжения в схеме: разряд не должен гореть, все приборы должны показывать нулевые значения.
3. После сборки схемы перед её включением следует пригласить заведующего лабораторией. Он проверит правильность сборки схемы и проведёт инструктаж по технике безопасности на рабочем месте.