2. Serie: Versuche mit Dioden 15/16.05.2014 I. Ziel der Versuche.

Elektronikpraktikum - SS 2014
H. Merkel, D. Becker, S. Bleser, M. Steinen
Gebäude 02-413 (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430
2. Serie: Versuche mit Dioden
15/16.05.2014
I. Ziel der Versuche.
Verständnis von Halbleiterdioden, praktische Anwendung von Dioden.
II. Vorkenntnisse.
Grundlagen von Halbleiterdioden, Kennlinien von Halbleiterdioden im Durchlass- und Sperrbereich, Si-, Ge-, Zener- und Schottky-Dioden. Gleichrichterschaltungen, Stabilisierungsschaltungen
mit Zener-Dioden, dynamischer Widerstand im Durchlass- und Sperrbereich, Schaltungssymbole.
Schaltungen mit Dioden
In der heutigen Praktikumsserie sollen einige Schaltungen mit Dioden auf der vorbereiteten Experimentierplatine aufgebaut werden. Die Messungen werden entweder mit dem Oszilloskop oder der
USB-Datenaufnahme aus der ersten Praktikumsserie durchgeführt.
1.
Versuch: Kennlinien von Dioden
Mit der folgenden Schaltung soll die Kennlinie einer Diode in Durchlass- und in Sperrrichtung
gemessen werden. Die variable Eingangsspannung wird mit dem Labornetzgerät erzeugt. Der
Strom I durch die Diode soll über den Spannungsabfall am Widerstand R gemessen werden.
Der maximale Strom sollte 100 mA nicht überschreiten.
1.1 Messen Sie gleichzeitig beide Spannungen U1 und U2 mit der USB-Datenaufnahme (Kalibration testen!). Das Aufnahmeprogramm USB-Datenaufnahme.exe liefert ihnen auch die
Differenzspannung U1 - U2, aus der Sie den Strom berechnen können. Variieren Sie die
Spannung U0 und speichern Sie die Messwerte als Text-Datensatz ab.
Hausaufgabe: Stellen Sie hierraus die Kennlinie für Sperr- und Durchlassrichtung in einem x-y Plot dar.
1.2 Wiederholen Sie die Messung, indem Sie die Siliziumdiode durch eine Germaniumdiode,
eine Zenerdiode und eine Schottky-Diode ersetzen. Bestimmen Sie die Flussspannung UF
für die Vorwärtsströme 5 mA, 20 mA und 100 mA für die Dioden und tragen Sie die Werte
in einer Tabelle ein. Bewahren Sie die Z-Diode für Aufgabe 2 auf.
1.3 Hausaufgabe: Passen Sie den Verlauf der Kennlinie im Durchlassbereich an den in der
Vorlesung angegebenen Strom-Spannungszusammenhang (Shockley-Gleichung) an. Bestimmen Sie daraus das Produkt aus Emissionskoeffizient und Temperaturspannung UT sowie den Sättigungssperrstrom IS.
1.4 Hausaufgabe: Bestimmen Sie für die Zenerdiode die Zenerspannung und den dynamischen Widerstand rZ für die Ströme 10 mA, 50 mA und 100 mA.
2.
Versuch: Spannungsstabilisierung
In der rechts stehenden Schaltung wird die Eingangsspannung mit Hilfe einer Zener-Diode stabilisiert. Es ist
R1 = 100 Ω, R2 = 1 kΩ und U1 = 10 V. Stellen Sie zur Sicherheit die Strombegrenzung des Labornetzgerätes auf
ca. 200 mA.
Ergänzen Sie die Schaltung um ein Amperemeter, mit
dem Sie den Strom durch die Z-Diode überwachen.
2.1 Messen Sie die Spannung am Widerstand R2 und
vergleichen Sie den Wert mit der Zener-Spannung
der Diode.
2.2 Stabilisierung bei Schwankungen der Last:
Belasten Sie die so erzeugte Gleichspannung mit verschiedenen Widerständen R2 (z.B. 10
kΩ, 1 kΩ, 200 Ω, 100 Ω) und messen Sie die Ausgangsspannungen (Tabelle).
2.3 Stabilisierung bei Schwankungen der Eingangsspannung:
Wählen Sie einen Lastwiderstand R2. Variieren Sie nun die Eingangsspannung zwischen
UZ (Zener-Spannung) und ca. 20 V. Überwachen Sie den Strom IZ durch die Zener-Diode
mit Hilfe des Multimeters um die maximal zulässige Leistung nicht zu überschreiten.
Messen Sie den Zusammenhang zwischen Eingangsspannung U1 und Ausgangsspannung
U2 der Schaltung (Tabelle).
2.4 Hausaufgabe: Tragen Sie die Ausgangsspannung als Funktion der Eingangsspannung auf.
Wie groß ist das Verhältnis der Ausgangsspannungsschwankung zur Eingangsspannungsschwankung für große Eingangsspannungen?
3.
Versuch: Gleichrichterschaltungen:
3.1 Bauen Sie die nachfolgende Einweg-Gleichrichterschaltung auf. Die sinusförmige Eingangsspannung (2Vpp, 50 Hz) wird mit dem Funktionsgenerator erzeugt und durch den
Transformator galvanisch vom Gleichrichter getrennt. Messen Sie mit dem Oszilloskop
das Eingangs- und Ausgangssignal für die Lastwiderstände RL= 1 kΩ und 100 Ω, aber ohne
Kapazität C. Speichern Sie die Bilder ab und übertragen Sie sie in ihr Protokoll.
Wo ist die Wirkung der Schleusenspannung zu erkennen?
3.2 Glättung: Schalten Sie verschiedene Kondensatoren (C = 100 nF, 1 µF, 10 µF) parallel zum
Lastwiderstand und wiederholen Sie die Messungen aus 3.1. Variieren Sie auch den Lastwiderstand (RL= 1 MΩ, 1 kΩ, 100 Ω)
3.3 Hausaufgabe: Geben Sie das Verhältnis der Spannungsschwankung ∆U zur Amplitude der
maximalen Spannung U für verschiedene Lastwiderstand - Kondensator Kombinationen in
einer Tabelle an.
3.4 Bauen Sie die Zweiweggleichrichterschaltung auf. Sie können die Eingangsspannung nun
auf 10VPP erhöhen. Messen Sie wie unter 3.2 die Ein- und Ausgangsspannung und übertragen Sie die Bilder in das Protokollheft. Kommentieren Sie die Beobachtungen.
3.5 Bauen Sie die Brückengleichrichterschaltung mit dem Vierweggleichrichter auf. Messen
Sie wie unter 3.2 die Ein- und Ausgangsspannung und übertragen Sie die Bilder ins Protokollheft. Kommentieren Sie ihre Beobachtungen.
4.
Versuch: Spannungsvervielfachung
4.1 Bauen Sie die nachfolgend dargestellte, so genannte „Delon-Schaltung“ zur Spannungsverdopplung auf. Messen Sie die Spannungen an den Knotenpunkten mit dem Tastkopf. Versuchen Sie die Wirkungsweise der Schaltung zu verstehen, indem Sie bei einer niedrigen
Frequenz das Einschwingverhalten beobachten. Der Widerstand R1 sollte möglichst hoch
gewählt werden.