Halbleiterbauelemente

PROTOKOLL ZUM VERSUCH
HALBLEITERBAUELEMENTE
VON CHRISTIAN PELTZ
Inhaltsverzeichnis
1. Versuchsbeschreibung
1.1. Ziel
1.2. Aufgaben
1.3. Vorbetrachtungen
2. Versuchsdurchführung
2.1. Untersuchung des Schaltverhaltens
2.2. Untersuchen einer Gleichrichterschaltung
2.3. Glättung
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1. Versuchsbeschreibung
1.1. Ziel. Bestimmung der statischen und dynamischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen. Untersuchung von Gleichrichterschaltungen.
1.2. Aufgaben.
1.2.1. Untersuchung des Schaltverhaltens. Bestimmen Sie die Sperrververzögerungszeit einer Leistungsdiode in Abhängigkeit
• vom Durchlassstrom und
• vom Sperrstrom
1.2.2. Untersuchung einer Gleichrichterschaltung. Oszillograeren Sie in den Schaltungen entsprechend Abbildung 1.1 a) und b) den Ausgangsstrom, den Kondensatorstrom und den Diodenstrom bei RL = 1kΩ und Ue = 6V /50Hz . Bestimmen Sie
den Stromusswinkel.
1.2.3. Glättung. Oszillograeren Sie die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltungen entsprechend Abbildung 1.1 a) , b) und c) sowie Abbildung 1.2 bei Ue =
6V /50Hz .
Date : 3.11.2005.
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Abbildung 1.1.
Schaltung 1
Abbildung 1.2.
Schaltung 2
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1.3. Vorbetrachtungen.
1.3.1. Impulsverhalten von pn-Übergängen. Halbleiterdioden zeigen im dynamischen
Betrieb, z.B. mit einer Rechteckspannung, eine Schaltträgheit. Die Diode reagiert
also nich instantan auf den Sperr- bzw. Durchlassbefehl. Die Verzögerungszeit von
Durchlass auf Sperrung heiÿt Sperrträgheit und die von Sperrung auf Durchlass
heiÿt Durchlassträgheit. Es stellt sich heraus das die Sperrträgheit wesentlich gröÿer ist als die Durchlassträgheit. Soll die Diode gesperrt werden muss erst die, sich
durch den Durchlassstrom gebildete, Raumladung am pn-Übergang abgebaut werden. Es ieÿt also nach dem Sperrbefehl noch solange ein merklicher Strom bis der
pn-Übergang wieder an Ladungsträgern verarmt ist, diese Zeit wird Sperrverzugszeit genannt. Bis der eigentliche Sperrzustand erreicht ist muss die Spannung an
der Diode noch auf den Sperrwert anwachsen. Dies ist jedoch erst der Fall wenn der
Sperrstrom der Sperrschicht genug Ladungen zugeführt hat. Die Gesamtzeit vom
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Sperrbefehl bis zum Sperrzustand setzt sich also aus dieser und der Sperrverzugszeit zusammen und wird auch Erholzeit genannt. Beim Durchlassbefehl muss erst
wieder eine Raumladungszone am pn-Übergang geschaen werden um den Durchlasswiderstand zu senken. Diese Zeit ist die Durchlassträgheit.
1.3.2. Einweg- und Zweiweggleichrichterschaltungen. Gleichrichterschaltungen sind
ein wichtiges Anwendungsgebiet von Halbleiterdioden. Bei einer Einweggleichrichterschaltung wird mit Hilfe einer Diode der Sperrrichtungsteil der Wechselspannung
herausgeltert. Es wird also jede zweite Halbwelle passieren gelassen. Bei einer
Zweiweggleichrichterschaltung tragen durch geschickte Anordnung von Dioden beide Halbwellen zur Ausgangsspannung bei. Jede zweite Halbwelle wird quasi nach
oben geklappt.
1.3.3. Ladekondensator. Die mit einer einfachen Schaltung gleichgerichtete Spannung besteht aus Halbwellen. Um diese zu glätten kann man ähnlich Abbildung
1.1 einen Ladekondensator in die Schaltung integrieren. Dieser wird parallel zum
Lastwiderstand eingebaut. Immer wenn die Diode in Durchussrichtung geschaltet
ist wird dieser Kondensator aufgeladen. Ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet
entlädt sich der Kondensator über den Lastwiderstand und glättet so die Halbwelleneingangsspannung.
1.3.4. Stromusswinkel. Den Zeitraum in der eine Diode in Durchussrichtung geschaltet ist, also beispielsweise den Ladekondensator lädt, kann man als Winkel angeben. Dabei stellt eine volle Schwingung 360◦ dar und der Zeitraum des Flussstromes wird als Anteil an dieser Schwingung in Grad angegeben.
2. Versuchsdurchführung
2.1. Untersuchung des Schaltverhaltens.
2.1.1. verwendete Geräte.
• Oszillograf Nr.3
• Funktionsgenerator
• Steckbrett Nr.3
2.1.2. Sperrverzögerungszeit in Abhängigkeit vom Durchlassstrom/Sperrstrom. Um
die Abhängigkeit der Sperrverzögerungszeit vom Durchlass- bzw. Sperrstrom zu
untersuchen wird die Eingangsspannung erhöht und mit Hilfe der Oset-Funktion
nach unten bzw. oben verschoben. Die Ergebnisse sind den Abbildungen 2.1, 2.2
dargestellt.
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Abbildung 2.1.
Abbildung 2.2.
konstanter Sperrstrom
konstanter Durchlassstrom
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2.1.3. Auswertung. Es zeigt sich das die Sperrverzögerungszeit mit dem Durchlassstrom steigt und sinkt wenn der Sperrstrom erhöht wird. Dies lässt sich dadurch
erklären das sich bei einem gröÿeren Durchlassstrom eine gröÿere Ladungsmenge
am pn-Übergang sammelt. Diese muss durch den Sperrstrom wieder abtransportiert
werden. Je gröÿer also der Durchlassstrom desto mehr Zeit benötigt der Sperrstrom
zum Abtransport dieser, und je gröÿer der Sperrstrom desto weniger Zeit braucht
dieser um die Ladungsmenge, die der Durchussstrom in das pn-Übergangsgebiet
gebracht hat, abzutransportieren.
2.2. Untersuchen einer Gleichrichterschaltung.
2.2.1. verwendete Geräte.
• Oszillograf Nr.3
• Steckbrett Nr.3
• 6V Transformator
2.2.2. Durchführung. Um die Dioden- und Kondensatorströme oszillograeren zu
können werden Widerstände mit den Dioden und den Kondensatoren wie in Abbildung 2.3 in Reihe geschaltet. Der Spannungsabfall an den vorgeschalteten Widerständen ist den Strömen durch Diode bzw. Kondensator proportional.
Abbildung 2.3.
Zweiweggleichrichterschaltung
Die Ergebnisse dieser Messung sind in den Abbildungen 2.4, 2.5 zu sehen.
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Abbildung 2.4.
Abbildung 2.5.
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C = 0µF
C = 10µF
2.2.3. Auswertung. Bei der Schaltung ohne Kondensator sind natürlich kaum Unterschiede zwischen Dioden- und Ausgangsstrom zu erkennen, der Stromusswinkel
beträgt beinahe 180◦ . Bei der Schaltung mit Kondensator sieht man wie dieser bei
den Eingangsspannungspitzen geladen wird und in den Zwischenzeiten die Last mit
Strom versorgt. Der Stromusswinkel beträgt beinahe 90◦ .
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2.3. Glättung.
2.3.1. verwendete Geräte.
• Oszillograf Nr.3
• Steckbrett Nr.3
• 6V Transformator
2.3.2. Durchführung. Es wird nun eine Schaltung mit einem weiteren Kondensator nach Abbildung 2.6 aufgebaut und dann die Ausgangsspannung oszillograert,
ebenso wie die Ausgangsspannungen für die drei vorhergehenden Schaltungen nach
Abbildung 2.3.
Abbildung 2.6.
Schaltung 3
Mit Hilfe der Trace-Funktion des Oszillografen konnten alle 4 Ausgangsspannungen auf einen Ausdruck gebracht werden.
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Abbildung 2.7.
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Ausgangsspannungen
2.3.3. Auswertung. Die Spannungen sind von oben nach unten für C = 0µF , C =
10µF , C = 100µF und für 2 ∗ C = 100µF aufgetragen. Es ist deutlich zu erkennen
wie die Ausgangsspannung für gröÿere Kondensatoren mit Schaltung 1 immer besser
geglättet wird und in Schaltung zwei schon fast keine Brummspannung mehr zu
erkennen ist.