DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Transkrypt

1 Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWE Instrukcję opracował: dr inż. Jerzy Sawicki Wymagania i wiedza konieczna do wykonania ćwiczenia: 1. Znajomość instrukcji do ćwiczenia, w tym w szczególności, rozumienie schematów układów pomiarowych. 2. Charakterystyki prądowo-napięciowe diody prostowniczej (złącze p-n), diody Schottky ego (złącze m-s), diody Zenera, transila, LED (w zależności od barwy świecenia). 3. Podstawowe parametry elektryczne badanych w ćwiczeniu elementów półprzewodnikowych (wybrane z informacji umieszczonych w kartach katalogowych). 4. Wpływ temperatury na parametry elektryczne diod półprzewodnikowych. 5. Zastosowania diod półprzewodnikowych, diod Zenera i transili, a w szczególności rozwiązania układowe prostowników napięcia, prostych stabilizatorów napięcia i układów zabezpieczeń napięciowych. 6. Umiejętność doboru rezystora szeregowego w obwodzie z diodą LED przy danym napięciu zasilania. Literatura: 1. Wykład i instrukcja do ćwiczenia. 2. Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa Filipkowski A.: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe, WNT, Warszawa Filipkowski A. (red.): Elementy i układy elektroniczne. Projekt i laboratorium, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Karty katalogowe badanych w ćwiczeniu diod.

2 PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Wszystkie badania i pomiary zostaną przeprowadzone przy użyciu płytki laboratoryjnej o nazwie «DIODES». Wykorzystane będą także dwa multimetry, regulowane źródło napięciowe oraz generator i oscyloskop. LED 1 LED 2 Rys. 1. Widok płytki pomiarowej przeznaczonej do wyznaczania charakterystyk prądowo-napięciowych diod. Wszystkie gniazda na płytce dostosowane są do wtyków o średnicy 2 mm. CZĘŚĆ PIERWSZA: BADANIE PARAMETRÓW STATYCZNYCH DIOD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Na płytce laboratoryjnej znajduje się sześć badanych elementów półprzewodnikowych D1-D6: D1 dioda prostownicza typu 1N4007, MAX = 1 A, U RMAX = 1000 V, D2 dioda prostownicza Schottky ego typu 1N5817, MAX = 1A, U RMAX = 20 V, D3 dioda Zenera typu BZXC4V7, P D = 0,5 W, D4 dioda transil, dwukierunkowa, typu BZW06-6V4B, P D = 600 W (w impulsie), D5 LED, kolor świecenia czerwony, typu WW05G3SRP4-W, MAX = 20 ma, U RMAX = 5 V, D6 LED, kolor świecenia biały, typu WW05G3SWT4-W, MAX = 20 ma, U RMAX = 5 V. Objaśnienie: litera F w indeksie prądów i napięć oznacza kierunek przewodzenia (ang. Forward), litera R w indeksie prądów i napięć oznacza kierunek zaporowy (ang. Reverse). Ponadto zostanie wykorzystany rezystor ograniczający wartość prądu płynącego przez diody, 680 Ω, 5%, 0,5 W. 2

3 Zadanie I Przyłączyć napięcie z regulowanego źródła napięciowego, tak żeby spolaryzować wybraną diodę w kierunku przewodzenia. Zmierzyć zależność prądu od napięcia dla wszystkich badanych elementów D1-D6. Napięcie regulowane zmieniać od zera woltów do 20 V. Dobrać liczbę punktów pomiarowych stosownie do kształtu mierzonej charakterystyki (rys. 2). [ma] Fragment charakterystyki wymagający większej liczby punktów pomiarowych [V] 0 Rys. 2. Przykład charakterystyki prądowo napięciowej. Liniowe odcinki charakterystyki nie wymagają dużej liczby punktów pomiarowych. Uwagę należy skoncentrować na te fragmenty charakterystyki, których prawidłowe wykreślenie wymaga znajomości wielu punktów pomiarowych. Do prawidłowego doboru liczby punktów pomiarowych przydaje się teoretyczna znajomość charakterystyki lub wstępny pomiar (obserwacja zmian wartości prądu w funkcji szybko zmienianego napięcia). Zadanie II Przyłączyć napięcie z regulowanego źródła napięciowego, tak żeby spolaryzować wybraną diodę w kierunku zaporowym. Napięcie regulowane zmieniać od zera woltów do 20 V (D1-D4) i maksymalnie do 5 V dla diod świecących (D5-D6). Prądy niektórych diod, płynące w kierunku zaporowym, będą niewielkich wartości i do ich pomiaru należy użyć mikroamperomierza. Sprawozdanie w części dotyczącej badania parametrów statycznych Należy przyjąć następujący porządek: Badanie diody D1: a. schemat układu pomiarowego w kierunku przewodzenia, b. tabela wyników pomiarów w kierunku przewodzenia, c. schemat układu pomiarowego w kierunku zaporowym, d. tabela wyników pomiarów w kierunku zaporowym, e. wykres charakterystyki prądowo napięciowej (kierunek przewodzenia i kierunek zaporowy na jednym układzie współrzędnych), f. konkretne wnioski (porównanie wyników z danymi z karty katalogowej elementu). Analogicznie opracować wyniki dla pozostałych diod. Dla diody Zenera D3 i transila D4 podać także napięcie Zenera U Z i napięć przebicia (ang. breakdown voltage) transila U BR. Na rys. 3 i rys. 4 przedstawiono prawidłowo narysowane, przykładowe dwa schematy układów pomiarowych. 3

4 U REG + _ ma V D1 Rys. 3. Schemat układu do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku przewodzenia diody prostowniczej D1 _ ma U REG V D3 + Rys. 4. Schemat układu do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku zaporowym diody Zenera D3 15,0 [ma] 10,0 Kierunek przewodzenia U R [V] -20,0-16,0-12,0-8,0-4,0 5,0 0 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 [V] Kierunek zaporowy I R [μa] -5,0 Rys. 5. Przykładowy wykres charakterystyki prądowo-napięciowej diody. Skale wykresu muszą być dostosowane do zebranych w tabeli wyników. Rysunek ilustruje zasady poprawnej konstrukcji wykresu i nie odzwierciedla żadnego konkretnego wyniku pomiarów przeprowadzanych w ćwiczeniu. Na wykresie charakterystyki należy zaznaczyć punkty pomiarowe (zgodne z tabelą pomiarów) 4

5 CZĘŚĆ DRUGA: BADANIE PARAMETRÓW DYNAMICZNYCH DIOD PROSTOWNICZYCH W ćwiczeniu będą badane dwie diody prostownicze: D1 dioda prostownicza typu 1N4007, MAX = 1 A, U RMAX = 1000 V, D2 dioda prostownicza Schottky ego typu 1N5817, MAX = 1A, U RMAX = 20 V, Zadanie III Celem tego zadania jest wyznaczenie przebiegów czasowych napięć i prądów w diodach prostowniczych podczas skokowej zmiany kierunku polaryzacji. Do obserwacji przebiegów czasowych posłuży dwukanałowy oscyloskop cyfrowy DSO (ang. Digital Storage Oscilloscope). Przygotować układ połączeń przedstawiony na rys. 6. Wykorzystany będzie dodatkowy rezystor R2. Napięcie na rezystorze R2 będzie proporcjonalne do prądu płynącego przez diodę: U R2 = I R2 R2 43 om, 5%, 0,25 W +5V -5V GF D I R2 I U R2 I(t) DSO CH2 U(t) DSO CH1 Rys. 6. Schemat układu do pomiaru parametrów dynamicznych diod D1 i D2 Przyłączyć wyjście generatora funkcyjnego GF do oscyloskopu i ustawić przebieg prostokątny o poziomach amplitud -5V i +5V oraz częstotliwości 10 khz. Następnie przyłączyć generator do badanego układu. Zaobserwować i skopiować przebiegi czasowe obserwowane na oscyloskopie przy zmianach kierunku polaryzacji diody (dostosować częstotliwość generatora, żeby uwydatnić szczegółowy obraz przebiegów czasowych). Sprawozdanie w części dotyczącej badania parametrów dynamicznych a. schemat układu pomiarowego, b. wykresy przebiegów czasowych napięcia i prądu w diodzie D1, c. wyznaczenie wartości czasu odzyskiwania zdolności zaporowych (ang. reverse recovery time) przez diodę D1, należy zaznaczyć odpowiedni odcinek czasu na przebiegach czasowych, d. przebiegi czasowe napięcia i prądu w diodzie D2, e. wyznaczenie wartości czasu odzyskiwania zdolności zaporowych (ang. reverse recovery time) przez diodę D2, należy zaznaczyć odpowiedni odcinek czasu na przebiegach czasowych, f. porównanie otrzymanych wyników dla diod D1 i D2, g. wyjaśnić związek między czasem odzyskiwania zdolności zaporowych diody a maksymalną częstotliwością prostowanego przez diodę prądu. 5