Grundlagenpraktikum 2.Teil Versuch : Diode

Grundlagenpraktikum 2.Teil
Versuch :
Diode
Fassung vom 15.09.2005
A:
Vorbereitung
1.
Siehe hierzu auch die Laborordnung. (s. Anhang)
Informieren Sie sich ausführlich über
o Physikalische Wirkungsweise von Halbleiter- Dioden und Z- Dioden:
Literatur: - R. Müller, Grundlagen der Halbleiter- Elektronik (Bd 1)
ISBN 3- 540-53200-5, Springer- Verlag
- R. Müller, Bauelemente der Halbleiter- Elektronik (Bd 2)
ISBN 3-540-16638-6, Springer- Verlag
- Skriptum “Elektronik 1“
o die durchzuführenden Versuchspunkte.
Zu einigen Aufgaben sind vor Beginn des Praktikums als Vorbereitung kleinere
Rechnungen durchzuführen.
o die beigefügten Datenblätter (1N4004, ZPD 5V1)
2.
Mitzubringen ist (für jede Gruppe): 1 DIN A4 Blatt, Millimeterpapier, Kurvenlineal.
Grundlagenpraktikum 2. Teil
B:
Versuch:
Georg-Simon-Ohm FHS Nürnberg
Dioden
Benötigte und verfügbare Geräte:
1 2- Kanal- Oszilloskop (+ Drucker), 2 Tastköpfe
1 Frequenzgenerator ( Sinus, Dreieck, Rechteck )
1 2- fach Netzteil
2 Multimeter
1 Steckbrett, div. Kabel, Bauteile
Prüfen Sie zunächst die bereitgestellte Ausrüstung auf Vollständigkeit
(evtl. an Betreuer wenden)
1.
Aufnahme einer Dioden- Flußkennlinie Id = f (Ud )
Dioden- Typ: 1N 4004 (Gleichrichterdiode)
Meßschaltung:
Abb. 1
1.1
Stellen Sie am Generator ein Dreieck- Signal mit UGss = 15V ein. Setzen Sie das Signal
exakt auf 0V auf! (Frequenz: 200Hz)
Diode
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1.2
Georg-Simon-Ohm FHS Nürnberg
Der Strom Id (t) durch die Diode wird als Spannung U1 (t) über den 1Ω- Meßwiderstand
dargestellt.
1.3
Die Spannung Ud (t) wird durch U2 (t) in guter Näherung dargestellt.
(weshalb darf das behauptet werden?)
1.4
Stellen Sie die beiden Signale U1 (t) [Strom] und U2 (t) [Spannung] am Oszilloskop dar.
1.5
Die Möglichkeit, am Oszilloskop Kanal 2 über Kanal 1 darzustellen (XY- Betrieb),
erlaubt die Abbildung der Flußkennlinie Id = f (Ud)
!
Stellen Sie immer sicher, daß die Aufzeichnung der Diodenkennlinie
exakt bei 0V beginnt; dies ist am besten in y-t- Darstellung möglich.
1.6
Nutzen Sie Breite und Höhe des Bildschirmes optimal aus durch geeignete Wahl der
Eingangsverstärkung des Oszilloskops.
1.7
Drucken Sie diese Kennlinie aus und tragen Sie deutlich Ordinate und Abszisse incl.
Maßstab (Id / mA, Ud / mV) ein.
1.8
Kühlen Sie die Diode kurz mittels Kältespray und erstellen Sie in diesem gekühlten Zustand
erneut einen Ausdruck der Flußkennlinie (unter 1.7 erhaltenen Ausdruck nochmals in den
Drucker einlegen !)
Diode
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1.9
Georg-Simon-Ohm FHS Nürnberg
Kleben Sie das Bild mit den beiden Kennlinien Id = f (Ud) hier ein:
Fragen:
o Welches Vorzeichen besitzt der Temperatur- Koeffizient (TK)
TK =
ΔU d
ΔT
?
Id = konst.
o Wie groß ist bei Si- Dioden dieser TK etwa dem Betrage nach (Aus Literatur!)
Diode
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2.
Sperrbereich einer Diode
2.1
Allgemeines:
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Dioden besitzen für negative angelegte Spannungen hervorragende Sperrfähigkeit
(Sperrströme Is in Größenordnung nA……pA).
Diese extreme Hochohmigkeit kann allerdings nur bis zu einer bestimmten max.
Sperrspannung aufrechterhalten werden.
Bei dieser Spannung UBr , der sog. Durchbruchspannung, Steigt der Sperrstrom rapide an,
wobei gleichzeitig die Sperrspannung nur noch geringfügig anwächst.
→ Vollständige Kennlinie einer Diode (schematisch):
Diode
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Die Höhe der Durchbruchspannung UBr einer Diode ist technologisch in einem weiten
Bereich einstellbar.
Bei vielen Dioden- Anwendungen sind solche Durchbrüche zu vermeiden
(z.B. Gleichrichtung, Demodulation…..), bei manchen Aufgabenstellungen werden diese
Effekte jedoch gezielt ausgenützt, v.a. zur Stabilisierung von Spannungen.
→ Z- Dioden
(s. a. Datenblatt- Auszug f. Z- Dioden!)
2.2
Durchbruchkennlinie einer Z- Diode
Z- Dioden besitzen im Flußbereich die für alle Dioden übliche Kennlinie.
Meßobjekt:
Z- Diode ZPD 5V1 (5,1V)
Meßschaltung:
Abb. 2
Tabelle:
I
U
Diode
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2.2.1
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Vorbereitung (zu Hause!)
o Welcher maximale Sperrstrom ISmax darf nicht überschritten werden, wenn die in der
Z- Diode umgesetzte Leistung P ≤ 2/3 Pmax sein soll?
o Wählen Sie den Widerstand R, wenn UQmax = 25V sein soll
o Wie sind die zwei wichtigen Durchbruchsmechanismen bei Z- Dioden physikalisch zu
erklären?
(s. Literatur!)
o Weshalb wird demzufolge bei diesem Versuch eine Z- Diode im Bereich zwischen
5V und 6V (5,1V) eingesetzt?
Diode
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2.2.2
Bauen Sie die Meßschaltung nach Abb. 2 auf dem Steckbrett auf und stellen Sie den
interessierenden Bereich der Durchbruch- Kennlinie durch Messwerte- Paare I und U in
Der Tabelle dar.
2.2.3
Stellen Sie diese Werte bei geeigneter Maßstabswahl graphisch auf Millimeterpapier als
Durchbruchkennlinie IS = f (U) dar (Kurvenlineal verwenden!)
3.
Schaltverhalten einer Diode
3.1
Vorbereitung:
s. Literaturangabe!
3.2
Meßschaltung (vorhanden)
Abb. 3
Eingangsspannung UG (t)
Diode
: Rechtecksignal, f ≈ 1kHz
UGss = 20V
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3.2.1
Stellen Sie jeweils Strom id (t) (∼U1(t)) und Spannung Ud (t) (≈U2(t)) für folgende
3 Generatoreinstellungen am Oszilloskop dar und erstellen Sie Ausdrucke;
3.2.2
Tragen Sie in jeden Ausdruck geeignete Strom- Spannungs- und Zeitmaßstäbe ein.
Markieren Sie die charakteristischen Zeiten ts (Speicherzeit)
sowie trr (Sperrverzögerungszeit)
3.2.3
Diskutieren Sie in der Gruppe, wie auf der Basis Ihrer Vorbereitung (3.1) die typischen
Zeitabschnitte des Schaltvorganges physikalisch zu erklären sind.
Diode
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4.
Kleinsignal- Verhalten / Dynamischer Widerstand
4.1
Vorbereitung → s. Literatur
4.2
Allgemeines:
Jedes elektronische Bauelement, dessen I – U – Charakteristik nichtlinear ist (z.B. Diode),
kann bei hinreichend kleinen Signalamplituden “ linearisiert “ werden.
Die nichtlineare Kennlinie wird hierbei in unmittelbarer Umgebung eines gewählten
Arbeitspunktes (AP) nur so geringfügig ausgesteuert, daß der betroffene
Kennlinienabschnitt
in 1. Näherung durch seine Tangente im AP darstellbar ist.
4.3
Meßschaltung (auf Steckbrett aufzubauen)
Abb. 4
!
Diode
Signalgenerator UG (t) über Trenntrafo!!
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4.3.1
Georg-Simon-Ohm FHS Nürnberg
Graphische Darstellung (schematisch)
Abb. 5
4.4
Vorbereitung:
Leiten Sie auf der Grundlage der Meßschaltung (Abb. 4) und Abb. 5 einen formelmäßigen
Ausdruck ab, der es erlaubt, aus den Meßgrößen ΔUG, ΔUd den dynamischen KleinsignalΔU d
Widerstand rd =
dieser Diode im gewählten AP zu ermitteln.
ΔI
Diode
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4.5
Diode
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Bauen Sie die Meßschaltung auf dem Steckbrett auf und führen Sie die nötige Messung
durch.
Berechnen Sie hieraus rd
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Anhang / 1N 4004
Nennstrom 1A
Diode
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Anhang / ZPD 5V1
Diode
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Georg-Simon-Ohm FHS Nürnberg
Laborordnung für A317 und A319
1. Den Anweisungen des Praktikums/Übungsleiters und dessen Beauftragten ist Folge zu leisten.
Der Studierende soll sich an dem ihm zugewiesenen Arbeitsplatz aufhalten.
2. Unbefugter Aufenthalt im Labor ist verboten.
Es müssen immer mindestens zwei Personen im Labor arbeiten der Aufenthalt einer Einzelperson im Labor ist verboten!
Für Unfälle bei unbefugtem Aufenthalt wird keine Haftung übernommen.
3. Verlassen die letzten beiden Personen das Labor, so ist dafür Sorge zu tragen, dass die
Laborspannung abgeschaltet wird und der Raum abgeschlossen wird.
4. Die Durchführung elektrischer Versuche birgt besondere Gefahren. So kann das Berühren
spannungsführender Teile, die unter höherer Spannung als 50V Wechsel- bzw. 120V
Gleichspannung stehen, unter ungünstigen Verhältnissen bereits tödlich sein. Es ist streng
verboten, fremde Aufbauten und Messanordnungen zu berühren, irgendwelche Veränderungen
vorzunehmen oder Messgeräte und Leitungen daraus zu entfernen, sowie Geräte von anderen
(evtl. z. Zt. nicht benutzten) Plätzen zu entnehmen.
Auf das Gefahrenpotential wird nochmals ausdrücklich hingewiesen. Versuchsbedingte
Umbauten dürfen nur im spannungslosen Zustand erfolgen. Für Aufbauten mit Spannungen über
40V sind ausnahmslos Sicherheitslaborleitungen zu verwenden. Alte Laborleitungen dürfen in
diesen Aufbauten nicht mehr verwendet werden, auch nicht für Schaltungsteile, die mit kleinerer
Spannung betrieben werden.
5. Mit den Laboreinrichtungen und Geräten ist sorgfältig umzugehen. Verursachte oder
festgestellte Schäden an Geräten, Einrichtungen oder an Personen sind sofort dem
Aufsichtsführenden zu melden. Für vorsätzlich oder fahrlässig verursachte Schäden haftet der
Benutzer persönlich!
6. Um einen Praktikumsversuch sicher, mit der nötigen Sachkompetenz und im vorgegebenen
Zeitrahmen durchführen zu können und Gefährdungen von Teilnehmern und Laboreinrichtungen
zu vermeiden, wird von jedem Teilnehmer zum jeweiligen Versuchsthema eine sorgfältige
Vorbereitung erwartet.
Die Vorkenntnisse der Teilnehmer können durch studienleitende Maßnahmen (z.B.
Eingangskolloquium, Fragen während des Versuches) überprüft werden.
7. Verstößt ein Laborbenutzer gegen diese Richtlinien, so kann er vom Laborleiter bis zur Dauer
eines Semesters von der weiteren Nutzung des Labors ausgeschlossen werden.
HINWEIS auf notwendiges Verhalten im GEFAHRENFALL:
Bei Unfällen mit elektrischem Strom ist der STROMKREIS SOFORT zu UNTERBRECHEN.
(Not-Aus-Schalter).
Im Übrigen gelten die Bestimmungen für das Verhalten bei Bränden und anderen Gefahren
gemäß der Hausordnung.
Nürnberg, den 01.7.2005
Prof. Dr. Sebald
Diode
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