báo cáo thí nghiệm môn vật lý bán dẫn bài thí nghiệm 1 khảo sát linh kiện r l c

BÀI THÍ NGHIỆM 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN R-L-C MỤC TIÊU:  Nắm được cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo.. THÍ NGHIỆM 2 Mục tiêu Khảo sát mạch R-C, từ đó suy ra giá trị tụ điện Yêu cầu Kế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

3 Lưu Quốc Huy 2311167

4 Nguyễn Duy Khang 2311439

BÀI THÍ NGHIỆM 1: KHẢO SÁT LINH KIỆN R-L-C

MỤC TIÊU:

 Nắm được cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo

 Nắm được đặc tính các linh kiện điện trở, tụ điện, cuộn cảm

 Thiết lập được mạch đo đơn giản cho tụ điện, cuộn cảm

CHUẨN BỊ:

 Chuẩn bị PreLab và nộp cho giáo viên trước khi vào lớp

Đo giá trị của biến trở VR5

Các kết quả điền vào bảng sau

R1 (Ω) R2 (Ω) R3 (Ω) R4 (Ω) R6 (Ω) R7 (Ω) VR5 Đọc 220±5% 1000±5% 2000±1% 10±5% 1000 1500

Quan sát điện áp trên tụ C1 trên dao động ký

Biên độ điện áp trên tụ C1 là bao nhiêu?

Biên độ điện áp trên tụ C1: 1,8 V

Từ đó, giá trị C1 bằng bao nhiêu? Trình bày cách tính

⇔ 𝑍𝐶 ≈ 2033,77 (𝛺)

⇒ 𝐶 = 1

2𝜋𝑓𝑍𝐶 ≈

12𝜋 1000.2033,77≈ 0,078 (𝜇𝐹)

Giá trị in trên C1 là bao nhiêu? Từ đó suy ra sai số giữa giá trị lý thuyết và giá trị thực

- Giá trị in trên C1 là 104

- Giá trị lý thuyết: C1 = 0,1 (𝜇𝐹)

- Giá trị thực tế: C1 = 0,078 ( 𝜇𝐹)

Vẽ lại dạng sóng ngõ vào và sóng trên tụ C1

Quan sát dạng sóng ngõ vào và dạng sóng trên tụ C1, hai sóng này có tương quan về phase

như thế nào? Giải thích

- Nhận xét : Sóng ngõ ra trên tụ C1 trễ pha hơn sóng ngõ vào

- Giải thích : khi có dòng điện xoay chiều đi vào tụ điện, dòng điện sẽ bắt đầu tích điện cho tụ điện và nhờ lượng điện tích đã nạp tụ điện mới bắt đầu tăng điện áp lên Điện áp không tăng lên cùng lúc với cường độ dòng điện mà nó cần thời gian để phân bố điện tích mà tạo nên điện áp trong tụ Do đó, đối với tụ điện thì điện áp trễ pha hơn cường độ dòng điện

- Giải thích: tần số dòng điện càng lớn thì trở kháng của tụ càng nhỏ, cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch càng lớn và ngược lại Với dòng điện một chiều, tụ điện có trở kháng dương vô cùng Đặc tính này được dùng trong các mạch truyền tín hiệu

Chuyển tín hiệu Vin thành xung vuông tần số 1Khz, biên độ 2Vpp Vẽ dạng sóng Vin và

dạng sóng trên tụ điện

Giải thích hình dạng sóng ngõ ra khi ngõ vào là xung vuông

 Giải thích: do nguyên lý hoạt động tích và phóng điện của tụ

Quan sát điện áp trên tụ C6 trên dao động ký

Biên độ điện áp trên tụ C6 là bao nhiêu?

- Biện độ điện áp trên tụ C6: 400 𝑚𝑉 2⁄ = 200𝑚𝑉

Từ đó, giá trị C6 bằng bao nhiêu? Trình bày cách tính

Đọc giá trị in trên tụ C6 Giá trị và điện áp tối đa theo lý thuyết của C6 là bao nhiêu?

- Giá trị và điện áp tối đa theo lý thuyết của C6 là 4,1μF

Quan sát điện áp trên cuộn dây L5 trên dao động ký

Biên độ điện áp trên cuộn dây L5 là bao nhiêu?

Biên độ của điện áp trên cuộn dây L5: 𝑉𝑝−𝑝 = 1,18

2 = 0,59 (𝑉)

Từ đó, giá trị L5 bằng bao nhiêu? Trình bày cách tính

- Vì điện trở mắc nối tiếp với cuộn cảm nên dòng điện qua toàn mạch và qua cuộn cảm

là như nhau

 Giải thích: Khi có dòng điện đi qua cuộn dây thì cuộn dây cũng đồng thời tạo từ trường

chạy trong lòng cuộn dây Dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, khi từ trường tăng dần theo dòng điện thì trong cuộn dây cũng sinh ra dòng điện cảm ứng để chống lại sự tăng dần đó Khi

Ta có: 𝑈𝐿 = 𝐼 × 𝑍𝐿 = 𝐼 × 2𝜋𝑓𝐿

Khi 𝑍𝐿 tăng thì 𝑈𝐿 tăng và ngược lại khi 𝑍𝐿 giảm thì 𝑈𝐿 giảm Mà 𝑍𝐿 tỉ lệ thuận với tần số f Nên khi tăng/giảm tần số f thì điện áp qua cuộn cảm L5 (hay biên độ trên L5) tăng/giảm tương

ứng

BÀI THÍ NGHIỆM 2: KHẢO SÁT DIODE CHỈNH LƯU

VÀ ZENNER

MỤC TIÊU:

 Nắm được cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo

 Nắm được đặc tính các linh kiện diode chỉnh lưu, LED phát quang và diode zener

 Thiết lập được mạch ổn áp đơn giản

CHUẨN BỊ:

 Chuẩn bị bài prelab

 Xem lại cách sử dụng các dụng cụ đo VOM, oscilloscope, máy phát sóng

THÍ NGHIỆM 1

Mục tiêu

Khảo sát đặc tính diode trong miền thuận

Yêu cầu

Kết nối nguồn điện thay đổi 0-20V vào diode D1, dùng VOM ở chế độ đo mA kết nối D1

và R1 Dùng 1 VOM ở chế độ đo điện áp đo điện áp vào Vin, một VOM khác đo điện áp 2 đầu diode Nếu như thiếu VOM thì có thể dùng 1 VOM đo điện áp Vin rồi sau đó đo điện

Xác định điện áp ngưỡng của diode D1 = 0,641 (V)

Lặp lại thí nghiệm cho Led D2

ID2 (mA) 0,25 2,15 4,11 6,09 8,07 10,05 12,03 14,02 16,01

VD2 (V) 1,738 1,843 1,886 1,917 1,941 1,964 1,983 2,001 2,017 Điện áp ngưỡng của D2: 1,752 (V)

Lặp lại thí nghiệm cho Led D3

ID3 (mA) 0 1,39 3,32 5,27 7,22 9,18 11,16 13,12 15,11

VD3 (V) 1,994 2,607 2,679 2,733 2,779 2,820 2,856 2,89- 2,921 Điện áp ngưỡng của D3: 2,25 (V)

THÍ NGHIỆM 2

Mục tiêu

Khảo sát đặc tính diode trong miền ngược

Yêu cầu

Dùng VOM đo giá trị điện trở R2

Kết nối nguồn điện thay đổi 0-20V vào diode D8 và điện trở R2 như hình vẽ, Dùng 1 VOM

ở chế độ đo điện áp đo điện áp trên R2 (VR2), một VOM khác đo điện áp 2 đầu diode VD Kiểm tra

Giá trị R2 là: 23,21 (𝑘𝛺)

Nhắc lại công thức liên hệ giữa ID, IS, VD

𝐼𝐷 = 𝐼𝑆 × (𝑒

𝑉𝐷𝜂×𝑉𝑇 − 1)

Chỉnh điện áp Vin về vị trí nhỏ nhất rồi bật nguồn

Tăng dần Vin, quan sát VD và ghi các giá trị đo được vào bảng sau:

VR2 (V) 0,0282 0,0575 0,0856 0,1245 0,1554 0,1904 0,2223 0,2543 0,2843

Id(A) 1,215 2,477 3,688 5,364 6,695 8,203 9,578 10,956 12,250

Nhận xét về điện trở của diode trong miền ngược:

- Trong miền ngược diode có điện trở rất lớn ~107(𝛺)

Dòng điện ngược bão hòa Is bằng bao nhiêu? (Gợi ý: dựa vào công thức liên hệ giữa ID, IS,

VD ta tính được Is, chú ý dấu của VD)

- Ta lấy trung bình cộng: 𝐼𝑆= 4,76 × 10−40 ( với n = 1)

Dùng dòng điện ngược bão hòa Is đã có, kiểm chứng lại dòng điện thuận theo lý thuyết của diode D1 với bảng đo đã thực hiện ở trên, coi nhiệt độ phòng là 30oC

Gợi ý: Chép lại bảng số liệu đo được ở miền thuận của diode D ở thí nghiệm 1 vào 2 hàng ID

(mA) và VD (V) Hàng ID(theory) được tính theo công thức lý thuyết dựa vào Is đã tính phía trên và hàng VD (V) Sau đó so sánh ID(theory) và ID (mA) (thực tế đo ở bài 1)

1,52 10−8

4,99 10−8

1,26 10−7

3,04 10−7

6,32 10−7

1,26 10−6

2,34 10−6Nhận xét giá trị thu được, giải thích:

- Trong miền ngược, diode có điện trở rất lớn và giá trị Id thực tế khác xa với lý thuyết

Vẽ dạng sóng ngõ vào và dạng sóng ngõ ra trên R1

Giá trị đỉnh của sóng ngõ ra là bao nhiêu? Giải thích

 Giá trị đỉnh của sóng ngõ ra là: 1,38 V

 Giải thích: sóng ngõ ra thấp hơn hơn sóng ngõ vào là do ở diode phải có sụt áp giữa

anode và cathode, lớn hơn điện áp ngưỡng của diode thì diode mới dẫn điện

Nối ngõ ra vào tụ C1 Vẽ lại dạng sóng ngõ ra

Giải thích sự khác nhau của ngõ ra khi có và không có tụ C1

 Dạng sóng ngõ ra khi nối tụ vào tải phẳng hơn khi không có tụ, nguyên nhân là do khi

có tụ điện thì tụ điện được nạp khi điện áp tăng và khi điện áp giảm thì tụ điện xả để duy trì điện áp qua tải được ổn định Nhờ tác dụng lọc của tụ mà dạng sóng ở ngõ ra

phẳng hơn

Giải thích sự khác nhau khi có và không có tụ C1

- Khi có thêm tụ điện vào mạch thì tụ điện làm ổn định điện áp Khi điện áp tăng tụ điện

được nạp và khi điện áp giảm tụ điện xả để duy trì điện áp ổn định

Kết nối nguồn điện 0-20V vào mạch, chỉnh điện áp về 0V Dùng VOM ở chế độ đo mA kết

nối R3 và D9 Dùng 2 VOM đo điện áp vào và điện áp ra

Vẽ đặc tuyến của Zener và xác định Vz

Tính công suất R3 khi Id = IR3 = 20mA

Quan sát sự thay đổi của Volt kế và Miliampe kế khi có tải và không có tải, giải thích sự thay đổi đó

- Quan sát: Chỉ số trên Ampe kế (mA) tăng nhưng chỉ số trên Volt kế lại không nhiều

- Chỉ số trên Volt kế là chỉ số điện áp giữa 2 đầu diode zener nhưng trên diode đã đạt trạng thái ổn định nên khi tăng điện áp 2 đầu đoạn mạch thì điện áp giữa 2 đầu diode không tăng nhiều Còn chỉ số trên ampe kế là chỉ số dòng điện cho toàn mạch nên khi tăng điện áp 2 đầu đoạn mạch thì dòng điện trên toàn bộ mạch vẫn tăng lên

Giảm Vin cho đến khi mạch không còn ổn áp Mạch không còn ổn áp khi nào?

- Khi điện áp qua Zenner bị sụt áp dưới mức điện áp phân cực nghịch của Zenner, cụ thể trong bài này là 5,1 V

Ghi nhận lại giá trị Vin khi mạch không còn ổn áp

So sánh hai giá trị Vin theo lý thuyết và thực tế

- 𝑉𝑖𝑛 lý thuyết cao hơn 𝑉𝑖𝑛 thực tế

BÀI THÍ NGHIỆM 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA DIODE

MỤC TIÊU:

 Nắm được cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo

 Nắm được đặc tính các linh kiện diode chỉnh lưu, LED phát quang và diode zener

 Thiết lập được mạch ổn áp đơn giản

CHUẨN BỊ:

 Chuẩn bị bài prelab

 Xem lại cách sử dụng các dụng cụ đo VOM, oscilloscope, máy phát sóng

THÍ NGHIỆM 1

Mục tiêu

Khảo sát mạch xén phân cực âm dùng diode

Yêu cầu

Vẽ lại sơ đồ nguyên lý của mạch thí nghiệm trên, trên sơ đồ nguyên lý cần ký hiệu đầy đủ tên linh kiện, thông số của chúng

Sinh viên tiến hành lắp mạch điện thí nghiệm Sau khi lắp xong mạch thí nghiệm, sinh viên nhờ GVHD xác nhận rồi mới tiến hành thí nghiệm

Xác nhận của GVHD:

Thay đổi biên độ của nguồn xoay chiều Vsine từ 2Vp-p đến 10Vp-p Trong quá trình thay đổi đó, quan sát dạng sóng thu được trên cả hai kênh của dao động ký, mô tả lại hiện tượng thu được

Ghi chú: cả hai kênh đều phải quan sát ở chế độ DC trong bài thí nghiệm này trở về sau

- Ban đầu hai dạng sóng như nhau

- Lúc sau dạng sóng kênh 1 không thay đổi, sóng kênh 2 bị mất 1 phần ở chu kì dương Giữ biên độ của nguồn xoay chiều Vsine là 10Vp-p, thay đổi giá trị điện áp của nguồn DC

từ 1VDC đến 3VDC, quan sát hiện tượng thu được

- Giá trị đỉnh dương của sóng kênh 2 khi điện áp là 3VDC lớn hơn đỉnh dương của sóng kênh 2 khi điện áp là 1VDC

Điều chỉnh nguồn Vsine có biên độ 10Vp-p, nguồn DC có điện áp 1V, vẽ lại dạng sóng thu được trên dao động ký

Giải thích vì sau ta thu được đồ thị như vậy

- Khi Vin > 1,7 diode dẫn khi đó Vout =1,7 => mạch bị mất 1 phần ở chu kì dương

- Khi Vin<1,7 diode tắt vì vậy Vout =Vin

Kiểm tra

Vẽ lại sơ đồ nguyên lý của mạch thí nghiệm trên, trên sơ đồ nguyên lý cần ký hiệu đầy đủ tên linh kiện, thông số của chúng

 Ban đầu hai dạng sóng như nhau

 Lúc sau dạng sóng kênh 1 không thay đổi, sóng kênh 2 bị mất 1 phần ở chu kì âm Giữ biên độ của nguồn xoay chiều Vsine là 10Vp-p, thay đổi giá trị điện áp của nguồn DC

từ 1VDC đến 3VDC, quan sát hiện tượng thu được

- Trị tuyệt đối giá trị đỉnh âm sóng kênh 2 khi điện áp là 3VDC lớn hơn giá trị

Giải thích vì sau ta thu được đồ thị như vậy

- Khi Vin < -1,7 diode dẫn khi đó Vout = -1,7 => mạch bị mất phần âm

- Khi Vin > -1,7 diode tắt vì vậy Vout =Vin

THÍ NGHIỆM 3

Mục tiêu

Khảo sát mạch xén phân cực dương dùng diode, có tải

Yêu cầu

Vẽ lại sơ đồ nguyên lý của mạch thí nghiệm trên, trên sơ đồ nguyên lý cần ký hiệu đầy đủ tên linh kiện, thông số của chúng

Sinh viên tiến hành lắp mạch điện thí nghiệm Sau khi lắp xong mạch thí nghiệm, sinh viên nhờ GVHD xác nhận rồi mới tiến hành thí nghiệm

Xác nhận của GVHD:

Điều chỉnh nguồn Vsine có biên độ 10Vp-p, nguồn DC có điện áp 1V, vẽ lại dạng sóng thu được trên dao động ký

So sánh hình dạng đồ thị trên với đồ thị thu được tại thí nghiệm 2, mô tả lại các điểm giống

và khác nhau giữa hai đồ thị, giải thích

Ở Thí nghiệm 2:

- Biên độ sóng ngõ ra phần đỉnh dương bằng với đỉnh dương sóng ngõ vào

- Biên độ sóng ngõ ra phần đỉnh âm bị xém gần như phẳng

Ở Thí nghiệm 3:

- Biên độ sóng ngõ ra phần đỉnh dương thấp hơn so với đỉnh dương sóng ngõ vào

- Biên độ sóng ngõ ra phần đỉnh âm chỉ bị xén 1 chút

Giải thích:

Kiểm tra

Vẽ lại sơ đồ nguyên lý của mạch thí nghiệm trên, trên sơ đồ nguyên lý cần ký hiệu đầy đủ tên linh kiện, thông số của chúng

Sinh viên tiến hành lắp mạch điện thí nghiệm Sau khi lắp xong mạch thí nghiệm, sinh viên nhờ GVHD xác nhận rồi mới tiến hành thí nghiệm

Xác nhận của GVHD:

Điều chỉnh nguồn Vsine có biên độ 10Vp-p, nguồn DC có điện áp 1V, vẽ lại dạng sóng thu được trên dao động ký

So sánh hình dạng đồ thị trên với đồ thị thu được tại thí nghiệm 2, mô tả lại các điểm khác nhau giữa hai đồ thị và giải thích

Ở Thí nghiệm 2:

- Biên độ sóng ngõ ra phần đỉnh dương bằng với đỉnh dương sóng ngõ vào

- Biên độ sóng ngõ ra phần đỉnh âm bị xém gần như phẳng

Ở Thí nghiệm 4:

- Biên độ sóng ngõ ra phần đỉnh dương bằng với đỉnh dương sóng ngõ vào

- Biên độ sóng ngõ ra phần đỉnh âm bị cắt xét nhưng vẫn giữ được độ cong của đồ thị hình sin

Giải thích:

- Ở Thí nghiệm 2: : 𝑉𝑖𝑛 > −1,7 𝑡ℎì 𝑉0 = 𝑉𝑖𝑛

- Ở Thí nghiệm 4: vì có thêm 𝑅1 nên 𝑉0 = −1,7 − −𝑉𝑖𝑛−1,7

1983 + 𝑅1× 𝑅1

BÀI THÍ NGHIỆM 4: KHẢO SÁT BJT

MỤC TIÊU:

 Nắm được cách sử dụng kit thí nghiệm, dụng cụ đo

 Nắm được đặc tính các linh kiện BJT loại npn, pnp

 Khảo sát mạch khuếch đại, mạch đóng/ngắt dùng BJT

CHUẨN BỊ:

 Chuẩn bị bài prelab

 Xem lại cách sử dụng các công cụ đo VOM, DVM và Oscilloscope (dao động ký - dđk)

- Q1: Khi để cực dương ở P1 và cực âm ở P2 hoặc P3 có thể hiện giá trị trên VOM suy

ra là loại NPN Đặt cực dương vào cực B (P1) và lần lượt đặt cực âm vào P2 và P3, ta thấy

giá trị ở P2 lớn hơn nên kết luận P2 là chân C (Collector) Còn chân còn lại P3 là chân E (Emitter)

- Q2: Khi để cực âm ở P2 và cực dương ở P1 hoặc P3 có thể hiện giá trị trên VOM suy

ra là loại PNP Đặt cực âm vào cực B (P2) và lần lượt đặt cực âm vào P1 và P3, ta thấy giá trị

ở P1 lớn hơn nên kết luận P1 là chân C (Collector) Còn chân còn lại P3 là chân E (Emitter)

Chỉnh nguồn điện về 12V và kết nối mạch như Hình 2 Một VOM đo dòng điện Ib ở tầm

uA, một VOM đo dòng Ic ở tầm mA, và 1 VOM đo điện áp Vce

Q3 C1815

TP15

D1 LED

R1 1K

TP13 1 VR3

10K

TP8 1 TP9 1

TP14

TP10 1

TP11 1

Hình 2: Layout thực tế trên module thí nghiệm

Với Ib trong khoảng nào thì transistor dẫn khuếch đại? Khi đó hfe là bao nhiêu?

Với Ib trong khoảng 10 ~ 30μA thì transistor dẫn khuếch đại với khoảng 301

Khi dùng transistor làm nhiệm vụ đóng/ngắt, ta đưa transistor vào chế độ nào? Vì sao?

- Khi làm nhiệm vụ đóng/ngắt, ta đưa transistor vào chế độ bão hòa/tắt

- Giải thích: Khi transitor ở chế độ bão hòa (saturation), dòng điện có đi qua nhưng rất

nhỏ, có thể xem như ngắn mạch, thực hiện chức năng đóng Khi transitor ở chế độ tắt

THÍ NGHIỆM 3

Mục tiêu

Khảo sát các miền hoạt động tắt/khuếch đại/bão hòa của BJT pnp

Chuẩn bị

Đọc xem điện trở R2 có giá trị là bao nhiêu và kiểm chứng lại bằng VOM

Chỉnh nguồn điện về 12V và kết nối mạch như

Hình 4 Một VOM đo dòng điện Ib ở tầm uA, một VOM đo dòng Ic ở tầm mA, và 1 VOM

đo điện áp Vce

C7 10uF/50V C1 0.1u/50V

TP19 1 TP20 1

TP25

D2 LED

R6 1K

Q4

2N3906

TP24 1

TP23 1

TP22

TP18 1

TP21 1 TP16

Hình 4 Sơ đồ kết nối trên module thí nghiệm phần BJT pnp

Với Ib trong khoảng nào thì transistor dẫn khuếch đại? Khi đó hfe là bao nhiêu?

Với Ib nằm trong khoảng 10÷40μA thì transistor dẫn khuếch đại

Khi đó, hfe khoảng 265

Nếu thay vì đặt tải (điện trở+led) ở cực C, ta đặt ờ cực E như hình sau Khi đó BJT có bão

hòa được không? Vì sao? (Câu hỏi này trả lời khi nộp báo cáo, không cần trả lời lúc tiến hành thí nghiệm

 BJT không thể bão hòa được Vì khi transistor P-N-P hoạt động ở vùng bão hòa thì hai thành phần E-B và C-B đều hoạt động ở miền phân cực thuận, nghĩa là > và >

, từ đó suy ra VEC < VEB Mà ta lại có VEC - VEB = VE - 0 - (VE - VB ) = VB 0

Q1

R1 220

R2 10K

D1 LED

VCC

Kết nối nguồn điện 5V vào mạch cấp nguồn dòng, nguồn điện thay đổi 0-5V vào hai cực

C-E của Q2 Các VOM kết nối như hình vẽ

Hình 5 Kết nối mạch đo đặc tuyến vào của BJT Tiến hành

Bật nguồn Chỉnh điện áp VCE cố định là 2V, chỉnh biến trở R2 để thay đổi dòng IB và ghi vào bảng sau Trong quá trình thí nghiệm lưu ý giữ VCE cố định là 2V