Halbleiterbauelemente

Mathias Arbeiter
20. April 2006
Betreuer: Herr Bojarski
Halbleiterbauelemente
Statische und dynamische Eigenschaften von Dioden
Untersuchung von Gleichrichterschaltungen
Inhaltsverzeichnis
1 Schaltverhalten einer Diode
1.1 Durchführung . . . . . . . . . . . .
1.2 Messwerte . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 konstanter Durchflussstrom
1.2.2 konstanter Sperrstrom . . .
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3
3
3
4
5
2 Gleichrichterschaltung Teil 1
2.1 ohne Kondensator . . . . . . . . . . . . .
2.2 mit Kondensator . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Messung des Stromflusswinkels . .
2.2.2 Spannungen an den Bauelementen
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3 Gleichrichterschaltung Teil 2
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8
1
Schaltverhalten einer Diode
1.1
Durchführung
• Schaltung gemäß Abb. 1 aufbauen
• Die Masse kommt vor der Diode und nicht vor dem Widerstand
• das Eingangssignal wird über Widerstand UND Diode abgefasst
• das Ausgangssignal wird nur über die Diode abgegriffen
• am Frequenzgenerator gibt es einen Offset-Knopf, der herausgezogen werden kann
• durch Regelung kann die Nulllinie der Rechteckspannung verschoben werden
• dadurch kann die Spannung erhöht werden, die Durchlassrichtung z.B. aber konstant gehalten
werden (auf Kosten der Sperrrichtung natürlich)
Abbildung 1: Schaltung mit integrierter Diode
1.2
Messwerte
Die Frequent wurde konstant bei 85 Hz gehalten. Damit ist die Periodendauer wesentlich größer als die
typische Sperrverzugszeit einer Diode.
In Abb. 2 wurde die Eingangsspannung Ue und die Diodenspannung (unten) aufgetragen.
Zu beachten sind die Nulllinien rechts am Diagrammrand. Die Eingangsspannung stellt eine gewöhnliche
Rechteckspannung dar.
Die Durchlassspannung und die Sperrspannung sind in Abb. 2 eingezeichnet.
Abbildung 2: oben: Eingangsspannung Ue unten: Diodenspannung
Die Sperrverzögerungszeit in Abbildung 2 ist der Abstand auf der Zeitachse, zwischen dem Punkt, an
dem die Eingangsspannung ihr Vorzeichen wechselt und dem Punkt an dem die Durchlassspannung an
der Diode auch null wird.
Die Sperrverzögerungszeit ist nämlich gerade die Zeit, die die Diode benötigt, um von Durchlassrichtung
auf Sperrrichtung umzuschalten.
Da der Strom der Spannung proportional ist, genügt es die Sperrverzögerungszeit in Abhängigkeit der
Durchlassspannung und der Sperrspannung anzugeben.
1.2.1
konstanter Durchflussstrom
Um einen konstanten Durchflussstrom zu erhalten, muss nun die Durchflussspannung konstant gehalten
werden. Die Spannung am Frequenzgenerator wird dabei erhöht, jedoch wird mithilfe der Off-Set-Funktion
am Generator die Durchlassspannung so gesteuert dass sie konstant bleibt.
Konstant gehaltene Diodenspannung in Durchflussrichtung
Uedurch = 2.81V
Dieser Durchlassstrom wurde nun konstant gehalten.
Ues perr
11.56
9.844
7.500
5.781
3.75
1.875
t in µs
1.08
1.50
2.04
2.78
4.06
7.86
Abbildung 3: Abhängigkeit der Sperrverzögerungszeit bei konstanter Durchflussspannung
In Abb. 3 ist zu sehen, dass die Sperrverzögerungszeit mit größer werdender Sperrspannung abnimmt.
Der Verlauf ist nicht linear, sondern könnte am besten exponentiell approximiert werden.
1.2.2
konstanter Sperrstrom
Mithilfe der Off-Set-Funktion und dem Amplitudenregler wird auch hier die Eingangsspannung variiert,
jedoch die Sperrspannung nun konstant gehalten.
Die Sperrspannung ist in Abb. 2 die Spannungsdifferenz in der obigen Kurve zwischen dem maximalen
Wert der Eingangsspannung und der Nulllinie.
Konstant gehaltene Sperrflussspannung:
Uesperr = 5.16V
Ued urch
7.66
5.94
4.38
1.32
t in µs
4.58
3.48
2.44
1.97
Abbildung 4: Abhängigkeit der Sperrverzögerungszeit bei konstanter Sperrspannung
In Abb. 4 ist zu sehen, dass die Sperrverzögerungszeit mit zunehmender Durchlassspannung bei konstanter
Sperrspannung zunimmt.
Auch hier ist ein linearer Zusammenhang nicht zu erkennen.
Mit größerer werdender Durchlassspannung braucht die Diode länger um eine Sperrschicht im pn-Übergang zu erzeugen.
2
Gleichrichterschaltung Teil 1
Es wurde nun eine Gleichrichterschaltung gemäß Abb. 5 aufgebaut.
Dabei wurde der Kondensator einmal weggelassen und ein andermal wurde ein Kondensator mit C =
10µF eingefügt.
Abbildung 5: Schaltbild einer Gleichrichterschaltung
2.1
ohne Kondensator
Der Stromflusswinkel von jeder der zwei Dioden ist zu ermitteln. Die Zeit in der ein Strom durch die
Gleichrichterschaltung fließt, resultiert aus den Strömen beider Dioden. Da der Stromflusswinkel von nur
EINER Diode ermitteln werden soll, darf nur der Stromflusswinkel einer Halbperiode vermessen werden.
Abbildung 6: oben: Eingangsspannung unten: Ausgangsspannung
In Abb. 6 ist deutlich zu erkennen, dass die Eingangsspannung die Nulllinie nicht nur in einem Punkt
berührt, sondern für einen kurzen Zeitraum konstant null ist.
Dies lässt erwarten, dass der Stromflusswinkel keine 180◦ aufweist, sondern geringfügig kleiner ist.
Es ergibt sich ein vermessener Stromflusswinkel von:
φ = 166.82◦
2.2
mit Kondensator
Um die Spannung über den Kondensator messen zu können, ist es erforderlich einen möglichst kleinen (ich
verwendete R = 1Ω) Vorwiderstand vor dem Kondensator einzufügen, über dem die Spannung gemessen
werden kann.
Die Diodenspannung muss mithilfe des Oszilloskopen invertiert werden, da dem Strom gegenläufig gemessen wird.
2.2.1
Messung des Stromflusswinkels
Um den Stromflusswinkel zu messen wurde die Diodenspannung und die Ausgangsspannung im Oszillographen angezeigt.
Abbildung 7: oben: Diodenspannung unten: Ausgangsspannung
Der Stromflusswinkel φ wurde in Abb. 7 vermessen und es ergab sich:
φ = 86.83◦
2.2.2
Spannungen an den Bauelementen
Abbildung 8: oben: Kondensatorspannung mitte: Diodenspannung unten: Ausgangsspannung
Der Kondensator lädt und entlädt sich, wie in Abb. 8 ersichtlich, in jeder halben Periode der Ausgangsspannung.
Der Kondensatorstrom wird dabei genutzt, um die Lücken in der Wechselspannung der Eingangsspannung
zu schließen. Dadurch kommt es zu einem Glättungseffekt.
Die Amplitude der Ausgangsspannung (Brummspannung) ist im Vergleich zur Amplitude in Abb. 6
wesentlich kleiner und damit besser geglättert.
Durch die Diode fließt eine zeitlich ähnliche Spannung wie am Kondensator.
3
Gleichrichterschaltung Teil 2
Um verschiedene Schaltungen hinsichtlich ihrer Effizienz zum Gleichrichten untersuchen zu können, wird
nun für vier verschiedene Schaltungen die Ausgangsspannungen am Oszilloskopen grafisch angezeigt.
Dabei wird dreimal die Schaltung in Abb. 5 aufgebaut mit den drei unterschiedlichen Kondensatoren
a)C1 = 0µF
b)C2 = 10µF
c)C3 = 100µF
Zusätzlich wird die folgende vierte Schaltung aufgebaut:
Abbildung 9: Gleichrichterschaltung mit zwei Kondensatoren
Abb. 9 wird als Schaltung d) gekennzeichnet
In Abb. 10 werden nun die vier Ausgangsspannungen gegenübergestellt.
Abbildung 10: Ausgangspannung a) b) c) d) von oben nach unten
In Abb. 10 ist deutlich zu erkennen, dass die Schaltung d) deutlich am effektivsten die Eingangsspannung
glättet.
Auch eine höhere Kapazität in Schaltung Abb. 5 sorgt für eine bessere Glättung.
Es erweist sich als vorteilhaft in Schaltung Abb. 9 die beiden Kondensatoren vor und hinter dem Widerstände einzufügen. Das Einfügen beider Kondensatoren vor dem Widerstand hätte einen geringeren
Glättungseffekt zur Folge, da insbesondere der Kondensator nach dem Widerstand einen großen Wechselstromanteil des Gesamtstromes aufnimmt.