Praktikum Physik

Praktikum Physik
Protokoll zum Versuch: Kennlinien
Durchgeführt am 15.12.2011
Gruppe X
Name 1 und Name 2
([email protected])
([email protected])
Betreuer:
Wir bestätigen hiermit, dass wir das Protokoll selbstständig erarbeitet haben und detaillierte Kenntnis vom
gesamten Inhalt haben.
___________________
Name 1
_____________________
Name 2
Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
Inhaltsangabe
1. Einführung
2. Kennlinien von Metall-/Kohlefadenlampen bei kleinen Spannungen
a. Aufbau
b. Ergebnisse
c. Diskussion
3. Kennlinien von Metall-/Kohlefadenlampen bei hohen Spannungen
a. Aufbau
b. Ergebnisse
c. Diskussion
4. Kennlinie einer Halbleiterdiode
a. Aufbau
b. Ergebnisse
c. Diskussion
5. Oszilloskopversuch Diode im Wechselstromkreis
a. Aufbau
b. Ergebnisse
c. Diskussion
6. Kennlinie eines MOS-FET’s
d. Aufbau
e. Ergebnisse
f. Diskussion
2
Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
1. Einführung
Im diesem Versuch wurden die Kennlinien von verschiedenen elektrischen Bauelementen aufgenommen.
Dies wurde durch Messung von Spannung und Stromstärke, sowie Errechnung des ohmschen
Widerstandes mit Hilfe des folgenden Zusammenhanges bewerkstelligt: = .
Abbildung 1: Schaltbild zum Messen von Strom und Spannung (Quelle: http://homepages.tudarmstadt.de/~dpraclik/elektronik/bilder/messen.gif)
Wie Abb. 1 zeigt werden Spannung parallel, Ströme dagegen in Serie gemessen. Dies liegt daran, dass man
bei der Spannung eine Potentialdifferenz misst, also zwei Bezugspunkte braucht. Der Strom wird seriell
gemessen, da die Stromstärke nach Kirchhoff an allen Punkten einer Masche gleich ist.
3
Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
2. Kennlinien von Metall-/Kohlefadenlampen bei kleinen Spannungen
2.a. Aufbau
Der Versuch wurde wie in Abb. 2 gezeigt aufgebaut:
Abb.2: Aufbau Glühbirne
Bei dem Versuch wurde die Abhängigkeit der Stromstärke I von einer eingestellten Spannung U gemessen
und protokolliert. Es wurden jeweils Messungen bei Gleichspannungen von -5 V bis +5 V in 1 V-Schritten
durchgeführt, je ein Versuchsdurchgang mit einer Glühbirne mit Metallfaden und einer mit einer Glühbirne
mit Kohlefaden.
2.b. Ergebnisse
Für Kohlefaden:
Spannung U/V
-4,99
-3,99
-3
-2
-0,98
0
0,99
1,99
2,99
4
4,98
Tabelle 1: Kohlefaden bei niedriger Spannung
Stromstärke I/mA
Widerstand R/Ω
-4,9
1018,4
-3,9
1023,1
-2,9
1034,5
-1,9
1052,6
-0,9
1088,9
0
0,9
1100,0
1,9
1047,4
2,9
1031,0
3,9
1025,6
4,9
1016,3
ΔR/Ω
±41,6
±52,5
±71,4
±110,8
±242,0
±244,5
±110,3
±71,1
±52,6
±41,5
4
Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
niedrige Spannung: Kohle
6
Stromstärke I/mA
4
2
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
-2
-4
-6
Spannung U/V
Abb.3: Kennlinie Kohleglühbirne bei niedrigen Spannungen
Für Metallfaden:
Tabelle 2: Metallfaden bei niedrigen Spannungen
Spannung U/V
Stromstärke I/mA
Widerstand R/Ω
-4,98
-51
97,6
-3,98
-44,7
89,0
-3
-36,6
82,0
-2
-27,8
71,9
-1
-14,3
69,9
0
0
1
14,4
69,4
2,06
27,8
74,1
3,04
37,3
81,5
3,9
44,5
87,6
5
50,8
98,4
ΔR/Ω
±0,383
±0,399
±0,448
±0,518
±0,979
±0,966
±0,534
±0,438
±0,394
±0,388
niedrige Spannung: Metall
60
Stromstärle I/mA
40
-6
20
0
-4
-2
0
2
4
6
-20
-40
-60
Spannung U/V
Abb.4: Kennlinie Metallglühbirne bei niedrigen Spannungen
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Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
Größtfehlerrechnung:
Fehlerabschätzung: ΔU = 0,02 V; ΔI = 0,2 mA
Formel:
ΔR = ∗ ∆ + ∗ ∆ = ∗ ∆ + − మ ∗ ∆
డோ
డோ
ଵ
௎
డ௎
డூ
ூ
ூ
2.c. Diskussion
Wie in den Schaubildern (Abb.3 und Abb.4) zu erkennen ist, steigt wie erwartet die Stromstärke relativ
linear zu der eingestellten Spannung. Allerdings ist beim Metallfaden eine leichte Abflachung der Kennlinie
im oberen Messbereich zu erkennen, bei Kohlefaden ist dies nicht der Fall. Hier verläuft die Kennlinie im
Messbereich linear. Das Verhalten des Metallfadens lässt sich durch dessen leichte Erwärmung, welche
bereits bei diesen geringen Spannungen auftritt, erklären. Kohle leitet im warmen Zustand den Strom
immer besser, der ohm’sche Widerstand des Kohlefadens wird also mit steigender Erwärmung, die durch
steigende Spannung auftritt, immer geringer, deshalb sollte der Strom eigentlich nicht linear zur Spannung
steigen. Die Kennlinie sollte abflachen, jedoch ist hier der Messbereich zu klein, um diesen Effekt erkennen
zu können. Der ohm’sche Widerstand bleibt in unserem Messbereich noch konstant. Beim Metall ist dies
genau umgekehrt, der ohm’sche Widerstand steigt mit steigender Temperatur, dadurch wird die Steigung
der Kennlinie mit steigender Spannung geringer. Bei den in diesem Versuch angelegten Spannungen ist der
Effekt der Erwärmung allerdings noch nicht stark ausgeprägt.
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Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
3. Kennlinien von Metall-/Kohlefadenlampen bei hohen Spannungen
3.a. Aufbau
Der Aufbau entspricht genau dem Aufbau aus dem vorherigen Versuch. (Siehe Abb.2)
Im Gegensatz zum vorherigen Versuch wurden die beiden Lampen bei höheren Spannungen, mit bis zu 220
V in 10 V-Schritten gemessen. Außerdem wurde Wechselspannung eingesetzt, was in diesem Fall aber
keinen Unterschied macht.
3.b. Ergebnisse
Für Kohlefaden:
Tabelle 3: Kohlefaden bei hohen Spannungen
Spannung U/V
9,9
20,3
30,2
40,5
50,5
60,1
69,9
80,7
90,2
100,3
111
120,1
130,8
140
149,8
160
170
180
190,4
200
209
220
Stromstärke I/mA Widerstand R/mΩ
10,3
961,2
22
922,7
33,9
890,9
47,1
859,9
60,8
830,6
74,5
806,7
89,1
784,5
106,3
759,2
121,4
743,0
138,3
725,2
157,1
706,6
173,5
692,2
193,2
677,0
211
663,5
229
654,1
249
642,6
270
629,6
291
618,6
314
606,4
338
591,7
358
583,8
382
575,9
ΔR/mΩ
18,7
8,4
5,3
3,7
2,7
2,2
1,8
1,4
1,2
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
0,4
0,3
0,3
7
Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
Für Metallfaden:
Tabelle 4: Metallfaden bei hohen Spannungen
Spannung U/V
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
Stromstärke I/mA Widerstand R/mΩ
74
135,1
89
224,7
102
294,1
115
347,8
126
396,8
137
438,0
147
476,2
157
509,6
166
542,2
175
571,4
184
597,8
192
625,0
201
646,8
208
673,1
216
694,4
223
717,5
231
735,9
237
759,5
244
778,7
251
796,8
257
817,1
263
836,5
ΔR/mΩ
0,4
0,5
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,7
0,7
0,6
0,7
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
hohe Spannung
450
400
Stromstärke I/mA
350
300
250
Kohle
200
Metall
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
Spannung U/V
Abb.5: Kohle- und Metallfaden bei hohen Spannungen
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Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
3.c. Diskussion
Hier sank bei der Kohle der Widerstand mit steigender Spannung bzw. Erwärmung des Fadens und beim
Metall stieg der Widerstand. Bei ungefähr U = 140 V waren beide Wiederstände gleich groß und somit
auch die Stromstärke. Darüber hinaus war der Widerstand der Kohle geringer als der des Metalls.
Metalllampen sind besser geeignet als Kohlelampen, da geringe Spannungsschwankungen im Stromnetz
bei höheren Spannungen bei Kohlelampen zu relativ großen Stromstärkeänderungen führen, während
diese bei Metall nur geringe Änderungen verursachen.
4. Kennlinie einer Halbleiterdiode
4.a. Aufbau
Für die Messungen mit der Halbleiterdiode wurde eine Schaltung aufgebaut, die in Abb. 6 zu sehen ist.
Abbildung 6: Schaltung der Diode
Durch Messen von Spannung und Stromstärke wurde die Kennlinie der Diode aufgenommen und zwar von
-2 V bis +0,865 V, da hier eine maximale Stromstärke von 200 mA nicht überschritten werden durfte.
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Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
4.b. Ergebnisse
Tabelle 5: Spannungs- und Stromverlauf der Diode
Spannung U/V
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,3
0,6
0,7
0,8
0,83
0,835
0,845
0,85
0,855
0,86
0,865
Stromstärke I/mA Widerstand R/m
0
0
0
0
0
0
0
1
700
20
40
54
15
64
13
86
10
70
12
124,5
9
149
6
172
5
Werden die Werte aus Tabelle 5 zu einer Kennlinie aufgetragen, so ergibt sich ein Diagramm wie in Abb. 7
dargestellt.
200
180
160
Stromstärke I/mA
140
120
100
80
60
40
20
0
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5 -20 0
Spannung U/V
0,5
1
1,5
Abbildung 7: Kennlinie der Halbleiterdiode
Aus dem Graphen lässt sich die Schleusenspannung der Diode zu etwa 0,8 V bestimmen.
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Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
4.c. Diskussion
Im Vergleich zu den Kennlinien aus dem ersten Versuch fließt hier bei negativen Spannungen kein Strom.
Dies liegt daran, dass die Diode Strom nur in einer Richtung passieren lässt. Bei Erreichen der
Schleusenspannung bei 0,8 V steigt der Strom schlagartig steil an, da hier die Sperrschicht des dotierten
Halbleiters durchbrochen wird und Strom fließen kann.
5. Oszilloskopversuch Diode im Wechselstromkreis
5.a. Aufbau
CH 2
CH 1
Abbildung 8: Diode im Wechselstromkreis, CH 1 und CH 2 stellen die beiden Kanäle eines angeschlossenen
Oszilloskops dar; verändert nach: http://daten.didaktikchemie.unibayreuth.de/experimente/physik/bilder/9_06_dioden_wechselstrom.gif
Wie Abb. 8, zeigt wurde die Diode nun in einen Stromkreis mit Wechselspannung eingebracht. Zur
Messung wurde nun ein Oszilloskop verwendet, dessen Kanal 1 die Wechselspannung maß und dessen
Kanal 2 die Spannung abgriff, die über den Widerstand abfiel.
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Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
5.b. Ergebnisse
Das Oszilloskop zeigte ein Bild an, wie es in Abb. 9 gezeigt ist.
Abbildung 9: Anzeige des Oszilloskops
5.c. Diskussion
Das Bild auf dem Oszilloskopschirm zeigt, dass der Strom von der Diode nur in eine Richtung durchgelassen
wird. Durch die angelegte Wechselspannung will der Strom abwechselnd vor und zurück fließen, die Diode
lässt
aber nur eine Richtung zu.
Außerdem
wird
eine bestimmte Mindestspannung, die
Schleusenspannung, benötigt, damit überhaupt ein Stromfluss zustande kommen kann, deshalb fließt erst
ein Strom in Durchlassrichtung wenn diese erreicht ist.
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Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
6. Kennlinie eines MOS-FET’s
6.a. Aufbau
Für diesen Versuch wurde ein selbstsperrender n-Kanal MOS-FET benutzt und entsprechend Abb. 10
verschaltet.
Abbildung 10: Schaltung des MOS-FET
Wegen Zeitmangel wurde nur die Steuerkennlinie des Transistors aufgenommen. Dazu wurde die SourceDrain-Spannung USD konstant bei 1 V gehalten und die Gatespannung UG, sowie der Gatestrom IG
aufgezeichnet. Dabei wurde darauf geachtet, dass der Gatestrom unter 150 mA blieb.
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Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
6.b. Ergebnisse
Tabelle 6: Gatespannungen und –ströme des MOS-FET
Gatespannung UG/V Stromstärke IG/mA
0,3
0,25
0,57
0,16
1
0
1,5
1,1
1,75
5
1,9
13
2
17
2,15
34
2,3
58
2,5
83
2,6
117
2,7
140
2,8
150
Die in Tabelle 6 aufgetragenen Gatespannungen und –ströme sind in Abbildung 11 graphisch aufgetragen.
160
Stromstärke IG/mA
140
120
100
80
60
40
20
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Gate-Spannung UG/V
Abbildung 11: Kennlinie des MOS-FET
Aus dem Graphen wurde die maximale Steilheit zu 340 mA/V bestimmt. Dazu wurde die Steigung der
Verbindungsgeraden zwischen den Werten der Gatespannung von 2,5 und 2,6 V berechnet.
Am Punkt der maximalen Steilheit bewirkt eine minimale Änderung der Gatespannung UG eine maximale
Änderung der Stromstärke IG.
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Name 1 und Name 2
Kennlinien
15.12.2011
Es ist auch ein Ansatz zu einer Sättigung in der Steuerkennlinienkurve zu erkennen.
6.c. Diskussion
Beim selbstsperrenden MOS-Feldeffekttransistor beginnt erst bei Erreichen einer bestimmten Spannung
Strom zu fließen. Da der MOS-FET selbstsperrend ist, ist der n-Kanal im Transistor konstitutiv aufgelöst,
was bedeutet, dass kein Source-Drain-Strom fließen kann. Wird eine Gatespannung angelegt und erhöht,
so beginnt der n-Kanal sich wieder zu bilden und seine Leitfähigkeit wird erhöht und es fließt Source-DrainStrom. Der Strom steigt bei geringen Spannungserhöhungen stark an, jedoch findet bei weiterer
Spannungserhöhung eine Sättigung statt, wie in Abbildung 11 gerade noch zu erkennen ist.
Aufgrund der starken Erhöhung des Stroms selbst bei geringen Spannungsänderungen kann der MOS-FET
als Verstärker benutzt werden.
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