Laborübung, Diode

8. März 2017
Elektronik 1
Martin Weisenhorn
Laborübung, Diode
1 Diodenkennlinie dynamisch messen
Die Kennlinie der Diode kann auch direkt am Oszilloskop dargestellt werden. Das Oszilloskop
bietet nämlich die Möglichkeit, die x-Auslenkung anstatt als Funktion der Zeit als Funktion
des Spannungswertes an CH1 zu steuern. Dazu soll am FG der Spannungsverlauf entsprechend
Abb. 2 eingestellt werden. Der Transformator sorgt dafür, dass die Masse Verbindung zwischen
Oszilloskop und FG keinen Kurzschluss verursacht.
Ri = 50 Ω
URi
UF
IF
D
UD
Uq
Rm
100 Ω
URm
Funktionsgenerator
Abbildung 1: Schaltung für die dynamische Messung einer Diodenkennlinie. Der Transformator
erlaubt es, die Masse des Oszilloskops mit einem beliebigen Knoten auf der
Sekundärseite des Trafos zu verbinden.
•
Überlegen Sie sich, wo die beiden Kanäle CH1 und CH2 des Oszilloskops angeschlossen
werden müssen, damit die Spannung UF an der Diode und den Strom IF durch die Diode
gemessen werde können. Erstellen Sie eine Skizze des gesamten Messaufbaus. Hinweis Die
Spannung URm ist proportional zum Strom IF .
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2
uq (t) [V]
5
0
0.25
0.5 t [ms]
−5
Abbildung 2: Quellspannungsverlauf für die dynamische Messung der Diodenkennlinie.
•
Messen Sie die Spannung am Ausgang des FG mit dem Oszilloskop und stellen Sie sicher,
dass der Verlauf entsprechend Abb. 2 ist.
•
Schliessen Sie nun den Transformator an und messen Sie dessen Ausgangsspannung mit
dem Oszilloskop. Die Spannung sollte mit der Spannung am Ausgang des FG übereinstimmen.
•
Bauen Sie nun den Rest der Schaltung auf und stellen Sie die Spannungen UD und URm
auf dem Oszilloskop dar.
•
Die Diodenkennlinie erhält man nun indem man die Spannungen an CH1 und CH2 nicht
mehr als Funktion der Zeit darstellt, sondern die Spannung an CH2 als Funktion von CH1.
Diese Einstellung erreichen Sie durch die Taste Display und die Wahl von Format XY im
Kontextmenü. Nun sollte die Diodenkennlinie sichtbar sein. Vergleichen Sie die Kennlinie
mit der statisch aufgezeichneten. Die beiden sollten quantitativ identisch sein. Eventuell
müssen Sie die Polarität eines der Kanäle invertieren. Dies geschieht mit dem Kontextmenü
von CH1 oder CH2 – setzen Sie Invertieren Ein.
•
Experimtieren Sie mit der Darstellung der Kennlinien von z.B. zwei Dioden Antiparallel,
oder weiteren Zweipolen aus Abb. 3. Sie können auch eine Zenerdiode mit 3.9 V verwenden.
3.9 V
(a) Antiparallelschaltung.
(b) Zehnerdiode.
100 Ω
(c) Parallelschaltung
mit Widerstand.
100 Ω
(d) Serienschaltung
mit Widerstand.
Abbildung 3: Zweipole deren Kennlinien am Oszilloskop dargestellt werden könnten.
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3
2 Vorwiderstand für LED
Eine Leuchtdiode soll mit einer Spannung von 8 V aus dem Labornetzgerät gespeisst werden.
Verwenden Sie eine Power LED ihrer Wahl aus dem Bauteileschrank. Die LED soll mit einem
Strom von 300 mA betrieben werden. Achten Sie darauf, dass der Strom während des gesamten
Experiments nie grösser als 500 mA wird. Die Kennlinien der möglichen Dioden Finden Sie in
Abb. 4.
(a)
(b)
Abbildung 4: Kennlinien für Power-LEDs aus deren Datenblatt.
•
Bestimmen sie den nötigen Vorwiderstand mit Hilfe der Kennlinie aus der folgenden Abbildung: Zeichnen Sie zu diesem Zweck die horizontale Achse weiter bis 8 V.
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4
•
Berechnen Sie die Verlustleistung die der Widerstand umsetzen wird und wählen Sie einen
entsprechenden Widerstand aus dem Bauteileschrank. Das Vorhandensein einer Verlustleistung ist ein Nachteil dieser Schaltung. Sie lernen noch Schaltungen kennen, die diesen
Nachteil vermeiden.
•
Kontrollieren Sie bitte den Strom während der Inbetriebnahme, und drehen Sie die Spannung allmählich von 0 V auf 8 V hoch.
•
Angenommen die Kennlinie verschiebt sich infolge Erwärmung um 100 mV nach links.
Wie hoch würde der Strom werden? Lösen Sie diese Aufgabe wiederum mit Hilfe der
betreffenden Kennlinien aus Abb. 4.
•
Angenommen auf den Vorwiderstand würde verzichtet und die Spannung so eingestellt,
dass bei der angegebenen Kennlinie der gewünschte Strom fliesst. Wie würde dieser Strom
sich verändern, wenn die Kennlinie der Diode sich infolge Erwärmung um 100 mV nach
links verschiebt?
3 Logikschaltung mit Dioden
Mit Dioden lassen sich einfach Logikschaltungen realisieren. Überlegen Sie für die Schaltungen
in Abb. 5 bei welchen Schalterstellungen von S1 und S2 die LED leuchtet.
V+
V+
R1
390 Ω
V+
R2
390 Ω
V+
R3
390 Ω
LED rot
D1
5V
D2
S1
S2
Abbildung 5: Logikschaltung.
a) Erstellen Sie eine Wahrheitstabelle. Welchen Namen hat die entsprechende Funktion in
der Digitaltechnik?
b) Sind die Widerstände R1 und R2 für die Funktion der Schaltung erforderlich?
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5
c) Wenn Sie möchten können Sie die Schaltung aufbauen und überprüfen ob Ihre Antworten
korrekt sind.
4 Lastverhalten des Labornetzgerätes
Eine lineare Spannungsquelle wie in Abb. 6 liefert die Ausgangsspannung
Ua = Ui − Ri · Ia .
Ein Labornetzgerät ist eine lineare Spannungsquelle, jedoch nur für positive Ströme d.h. für
0 < Ia < Imax . Geht man davon aus, dass der Strom auch negativ sein kann, so lässt sich das
Verhalten der Spannungsquell nicht durch die lineare Spannungsquelle aus Abb. 6 erklären.
In dieser Aufgabe soll die Abhängigkeit der Ausgangsspannung als Funktion des Stromes Ia
für −10 mA < Ia < 100 mA ermittelt werden und ein Schaltbild geliefert werden, das diese
Abhängigkeit erklärt.
Labornetzgerät
Ri
Ia
URi
Ui
Ua
Abbildung 6: Lineare Spannungsquelle.
a) Überlegen Sie sich eine Messschaltung zur Erzeugung negativer Ströme Ia , Sie können die
zweite Quelle des Labornetzgerätes verwenden. Skizzieren Sie die Schaltung.
b) Ermitteln Sie den Verlauf der Ausgangsspannung Ihres Labornetzgeräts für das Intervall
−10 mA < Ia < 100 mA und skizzieren Sie die Spannung Ua als Funktion von Ia . Ein
mögliches MATLAB-Skript zur Darstellung der Messpunkte entlang der Kennlinie könnte
wie folgt aussehen:
figure
plot ( U_A , I_A *1000 , 'bo - ' , ' linewidth ' ,2) ;
xlabel ( ' U_a [ V ] ') ;
ylabel ( ' I_a [ mA ] ') ;
title ( ' Belastungskennlinie des Labornetzgeraetes ') ;
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Sollte die Kurve zu wenig glatt sein, so erfassen Sie an geeigneten Stellen zusätzliche
Messwerte.
c) Wie müsste man die Ersatzschaltung des Labornetzgerätes in Abb. 6 modifizieren, damit
es sich eignet, um das Verhalten des Labornetzgerätes zu erklären? Skizzieren Sie das
entsprechende Ersatschaltbild!
5 Umschaltverhalten
Um die Bedeutung der Unterschiede zwischen den verschiedenen zu behandelnden DiodentyFunktionsgenerator
Ri
D
uRi
uq
RL
ua
Abbildung 7: Anordnung zur Messung der Sperrverzögerung.
pen zu erfassen, müssen wir uns vorgängig mit dem Phänomen der Sperrverzögerung vertraut
machen. Wir verwenden die Messschaltung gemäss Abb. 7, wobei der Funktionsgenerator eine rechteckförmige Wechselspannung uq (t) von 50 kHz und 10 Vpp erzeugt. Wir messen mit
einem Oszilloskop die Spannung ua (t). Die gemessene Spannung fällt über dem Widerstand
RL = 1 kΩ ab, sie ist proportional zum Diodenstrom id (t).
a) Verwenden Sie für die Diode D den Typ 1N4007. Messen Sie die Sperrverzögerung Trr
die zwischen dem Zeitpunkt vergeht an dem die Diodenspannung negativ wird bis zu dem
Zeitpunkt an dem der Betrag des Diodenstromes id (t) auf 10 % seines Maximalwertes
abgesunken ist.
b) Wiederholden Sie die Messung aus Punkt a) auch mit der Diode 1N4148. Diese sperrt
derart schnell, dass Induktivitäten in den Drähten des Aufbaus das Ergebnis dominieren
können. Daher ist ein sehr kompakter Aufbau wichtig.
c) Erklären Sie die Unterschiede im Ausgangssignal für die beiden Diodentypen!
d) Lesen Sie aus den Datenblättern der beiden Dioden die jeweilige maximal erlaubte Sperrspannung heraus. Vergleichen Sie diese Werte mit der jeweiligen Sperrverzögerung.