Diode - Elektrotechnik

TFH – Berlin
Messtechnik – Labor
Aufnahme der Kennlinie einer
Diode
Ort:
TFH – Berlin
Datum:
13.10.03
Uhrzeit:
von 8.00 bis 11.30 Uhr
Dozent:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Metzger
Arbeitsgruppe:
Mirko Grimberg, Robert Kraaz, Udo Fethke
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Die Aufgabenstellung:
Es soll die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode messtechnisch ermittelt werden.
Bauelemente für den Schaltungsaufbau:
Verwendete Messgeräte:
•
•
Vielfachmessgerät Multavi V [2.1-51] Kl.1 als Voltmeter
Vielfachmessgerät AEG-UM [2.1-25] Kl.1 als Amperemeter
Verwendete Bauteile:
•
Prüfobjekt: Diode D mit Imax = 2 A und Umax = 300 V
1 Stellwiderstand Ra = 700Ω/0,8A
1 Stellwiderstand Rb = 1050Ω/0,6A
•
1 Spannungsquelle U = 125V [Klemmen 63 – 64]
•
•
Die Messschaltung 1: Sperrrichtung
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Zuordnung der Stellwiderstände / Messgeräte:
Die Messgeräte sollen so geschaltet werden, dass der Einfluss der Innenwiderstände kleinst
möglichst auf das zu erwartende Ergebnis wirkt.
Da die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist, erwarten wir höchstens einen „Kriechstrom“ zu
messen. Damit dieser nicht vom Voltmeter beeinflusst wird, entscheiden wir uns für eine
stromrichtige Schaltung.
Für den Widerstand R2 wählen wir den größeren Widerstand Rb, da somit im Falle eines
Stromflusses (nur bei einer defekten Diode) der geringere Teil der Stromstärke über die Diode
fliessen würde. Zu erwarten ist jedoch, dass der gesamte Strom über den Widerstand R1 fließt.
Wählen wir R1 = Ra , so ergibt das Ohm'sche Gesetz bei einer anliegenden Spannung von 125 V
einen maximalen Stromfluss von 0,17 A für den Widerstand R1.
I R1 =
125
U
=
= 0,17 A
R 1 700
Durchführung:
Messschaltung 1: Diode in Sperrrichtung
Ergebnis der Messung:
Nach Einschalten der Spannung ist am Amperemeter kein Stromfluss festzustellen. Auch nach
Umschalten des Messgerätes in den Sondermessbereich (Messbereich 150 µA) ist kein Stromfluss
messbar.
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Messschaltung 2: Diode in Flusspolung
Für diese Schaltung stehen folgende Widerstände zur Verfügung:
•
•
•
Ra = 210 Ω
Rb = 17 Ω
Rc = 40 Ω
Rschutz ist so zu bestimmen, dass die maximale Stromstärke der Diode von 2 A nicht überschritten
wird.
I max =2 A
U
=I 1
Rb
24 V
=1,41 A
17
Der Schutzwiderstand Rb muß in der lage sein, den Strom I1 auf 2 A zu
begrenzen.
Im ungünstigsten Fall liegen am Schutzwiderstand 24 V an. Doch selbst dann
fließen über diesen Widerstand allein nur 1,41 A. Es ist also völlig ausreichend,
wenn der 17 Ω Widerstand als Schutzwiderstand gewählt wird.
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Wir haben folgende Messpunkte aufgenommen:
I in A
U in V
Messbreich des Amperemeter
Innenwiderstand des Amperemeter
in Ohm
0,0006
0,51
1,5 mA
59
0,0037
0,6
6 mA
14
0,035
0,7
60 mA
1,5
0,34
0,8
0,6 A
0,9
1,275
0,85
1,5 A
0,6
Bemerkung: Der Messbreichsendwert des Amperemeter beträgt 30.
Die aufgenommenen Messpunkte ergeben für die Diode folgende Kennlinie in Flusspolung:
1,3
I in A
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
U in V
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Errechnung des Gleichstromwiderstandes:
Auf Grund der nichtliniarität der Kennlinie einer Diode lässt sich der Gleichstromwiderstand (Rg)
nur in einem konkreten Punkt angeben.
R g=
U
I
Für den Punkt P1 (U = 0,8 V und I = 0,34 A) beträgt der Gleichstromwiderstand:
R g=
0,8V
=2,35
0,34 A
Errechnung des differenziellen Widerstandes:
Da der Gleichstromwiderstand in der Technik nur wenig Bedeutung hat, wird für eine Diode oft der
differenzielle Widerstand (Rd) angegeben.
R d=
U
I
für  U  0
Der differenzielle Widerstand entspricht also der Tangente an der Kennlinie in einem Punkt.
Da die Tangente nur schwer zu ermitteln ist, ist es auch möglich die Tangente durch eine Sekante
anzunähern. (S. Goßner, Grundlager der Elektrotechnik, Anhang A.3.3)
Zu diesem Zeck wählen wir den Punkt P2 (U = 0,85 V und I = 1,27 A)
 U =U P2−U P1 = 0,05 A
 I =I P2−I P1 = 0,935 A
Der Anstieg der Sekante wird nun mit Hilfe des Anstiegdreiecks ermittelt.
 U 0,05 A
=
=0,053 
 I 0,935 A
Hinweis:
Die Kennlinie einer Diode in der üblichen Darstellungsform (I über U abgetragen)
entspricht dem Gleitwert. Um mit Hilfe des Anstiegdreiecks den differenziellen
Widerstand zu ermitteln, muss U über I aufgetragen werden.
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Kennlinie der Diode mit Flußpolung und Sperrpolung:
Fügt man nun die Kennlinie für die Flußpolung und für die Sperrpolung in einem
Koordinatensystem zusammen, ergibt sich die gesamte Kennlinie der Diode. Die Kennlinie für die
Sperrpolung befindet sich im 3. Quadranten, da die Spannungen als Negativ angesetzt wird.
I in A
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,8
U in V
Diodenkennlinie
Fehlerrechnung:
Die maximale Ungenauigkeit des Strom -und Spannungsmesser ergeben sich aus:
±U =
± I =
Angezeigter Wert∗Fehler
100
Klasse∗Messbereichsendwert
100
Daraus ergibt sich für die Messpunkte P1 und P2:
±U 1=0,008
± I 1=0,006
±U 2=0,0085
± I 2=0,015
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Der Fehler für den differenziellen Widerstand ergibt sich dann aus der Ableitung von
U 2−U 1 
± R d =
I 2−I 1 
∣
± R d =
∣∣
∣∣
∣∣
∣
∣∣
∂ Rd
∂ Rd
∂ Rd
∂ Rd
∗U 2 
∗U 1 
∗ I 2 
∗ I 1
∂U2
∂ U1
∂ I2
∂ I1
∣
± R d =
∂ Rd
∂ U 2 ,∂ U1 ,∂ I 2 ,∂ I1
∣∣
∣∣
∣
U 2−U 1
U 2−U 1
1
1
∗U 2  −
∗U 1  −
∗ I 2 
∗ I 1
2
I 2−I 1
I 2−I 1
I 2−I 1 
I 2−I 1 2
± R d =0,03 
Das heißt, der differenzielle Widerstand der Diode im Punkt P1 kann um ± 0,03 Ω vom errechneten
Wert abweichen. Da Rd im Punkt P1 auch nur sehr klein ist, ist eine Abweichung von ± 0,03 Ω sehr
viel. Daher ist der relative Fehler Fr recht groß.
F r=
 Rd
=54 %
Rd
Bemerkung: Die Fehlerrechung berücksichtigt nicht den Strom, der über das Voltmeter fließt. Im
Messpunkt P1 ergibt das Ohm'sche Gesetz einen Stromfluss von 4∗10−5 A über das
Voltmeter. Da diese Größe den Fehler nicht spürbar beeinflusst, wird sie
vernachlässigt.