Dioda półprzewodnikowa

Transkrypt

1 mikrofalowe (np. Gunna) Dioda półprzewodnikowa Dioda półprzewodnikowa jest elementem elektronicznym wykonanym z materiałów półprzewodnikowych. Dioda jest zbudowana z dwóch różnie domieszkowanych warstw półprzewodnika typu n i typu p, które tworzą razem złącze p-n. Spotykane są również diody zbudowane z połączenia półprzewodnika z odpowiednim metalem tzw. dioda Schottky'ego. Półprzewodnik typu p tworzy anodę diody, półprzewodnik typu n katodę diody. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu od anody do katody. W przeciwnym kierunku prąd nie płynie. Rodzaje diod: prostownicze - prostowanie prądu przemiennego detekcyjne - diody niewielkiej mocy, używane w układach modulacji AM stabilizacyjne (Zenera) - stabilizacja napięcia i prądu tunelowe - z odcinkiem charakterystyki o ujemnej rezystancji dynamicznej pojemnościowe (warikap) - o zmiennej pojemności zależnej od przyłożonego napięcia elektroluminescencyjne (LED) - dioda świecąca fotodiody - czuła na promieniowanie widzialne lub podczerwone laserowe

2 Anoda Katoda Symbol diody półprzewodnikowej + Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia Dioda LED Dioda Zenera

3 Prostownik jednopołówkowy W programie Multisim zbudować układ jak na rysunku poniżej. Rys.1. Prostownik jednopołówkowy

4 Źródło napięcia przemiennego znajduje się w bibliotece: Source i nosi nazw AC_POWER Dioda znajduje się w bibliotece Diode Elementy bierne (rezystory, pojemności) znajdują się w bibliotece Basic. Na wejście kanału 1 oscyloskopu dołączono sygnał ze źródła napięcia. Na wejście 2 podano sygnał po wyprostowaniu jednopołówkowym. Aby obserwacja przebiegów była bardziej komfortowa, można zmienić atrybuty kolorów sygnałów i przebiegów na oscyloskopie. W tym celu należy najechać znacznikiem myszy na linię podłączoną do kanału 2, prawym przyciskiem myszy wybrać kolor z palety po uruchomieniu opcji Segment Color. Dodatkowo zmieniając offset jak na rysunku 2 można rozsunąć na ekranie oba przebiegi w pionie.

5 Rys.2. Widok ekranu oscyloskopu

6 Zmiana położenia anody i katody diody powoduje, że na wyjściu przetwornika pojawią się jedynie ujemne połówki przebiegu sinusoidalnego. Rys.3. Prostownik jednopołówkowy napięcia ujemnego Należy zaobserwować sygnał na oscyloskopie w takiej konfiguracji układu.

7 Dodanie równoległego do obciążenia R1 kondensatora C1 o pojemności 1mF powoduje wygładzenie wyprostowanego przebiegu. Energia zgromadzona w kondensatorze zasila obciążenie gdy przebieg na wyjściu prostownika zanika do zera. Uwaga!!!- położenie diody prostowniczej jak dla prostownika napięcia dodatniego. Rys.4. Prostownik jednopołówkowy z filtrem Należy zaobserwować przebieg na oscyloskopie.

8 Należy zaobserwować sygnał na wyjściu prostownika dla rezystancji R1 mniejszej od 2k (np. dla 330 Ohm i 120 Ohm). Dlaczego przebieg zmienił się z linii prostej. Rys.5. Wpływ obciążenia na tętnienia napięcia wyjściowego.

9 W prostowniku jednopołówkowym tylko połowa przebiegu napięcia przemiennego jest zamieniana na napięcie stałe. Kondensator musi więc magazynować dużą ilość energii żeby zapewnić stałe napięcie na obciążeniu R1. Większą sprawność posiada prostownik dwupołówkowy z czterema diodami prostowniczymi połączonymi w układzie Greatza. Sporządź układ jak na rysunku 6. Rys.6. Prostownik dwupołówkowy

10 Należy zaobserwować przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu prostownika. Rys.7. Przebiegi sygnałów na wejściu i wyjściu prostownika dwupołówkowego.

11 Zaobserwować przebieg na wyjściu prostownika po dodaniu filtra pojemnościowego. Rys.8. Prostownik dwupołówkowy z filtrem pojemnościowym.

12 Dioda Elektroluminescencyjna - LED dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu.

13 Należy zbudować układ jak na rysunku Rys.9. Dioda elektroluminescencyjna LED

14 Należy uruchomić symulację. Generator powinien być ustawiony na generację przebiegu prostokątnego. Rys.10. Testowanie diody LED Zmiana częstotliwości generowanego przebiegu powoduje zmianę okresu świecenia diody.

15 Tranzystor bipolarny npn, pnp Tranzystory są to urządzenia półprzewodnikowe, które umożliwiają sterowanie przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów półprzewodnika o przeciwnym typie przewodnictwa (n-p-n lub p-n-p), powoduje to powstanie dwóch złączy: n-p i p-n lub analogicznie p-n i n-p. Tak więc rozróżniamy dwa typy tranzystorów bipolarnych npn i pnp. Tranzystor PNP Tranzystor NPN

16 KOLEKTOR BAZA U BE Tranzystor PNP EMITER U BE Tranzystor NPN Gdy w tranzystorze NPN napięcie na bazie jest wyższe od napięcia na emiterze o około 0,7V, tranzystor zaczyna przewodzić prąd między kolektorem i emiterem. Gdy w tranzystorze PNP napięcie na bazie jest niższe od napięcia na emiterze o około 0,7V, tranzystor zaczyna przewodzić prąd między kolektorem i emiterem.

17 Należy sporządzić układ jak na rysunku. Rys.11. Badanie tranzystora bipolarnego NPN Zmieniając napięcie na bazie tranzystora przy pomocy potencjometru R3, zaobserwować napięcie na kolektorze.

18 Należy zwrócić uwagę na dwa stany pracy tranzystora: zatkanie- rys.12, nasycenie- rys.13. Rys.12. Zatkanie Rys.13. Nasycenie

19 Gdy napięcie na bazie tranzystora jest niższe niż około 0,7V tranzystor jest zatkany i nie przewodzi prądu. Wtedy napięcie na kolektorze jest równe napięciu zasilającemu 12V. Gdy zaczyna się przewodzenie tranzystora widoczny jest spadek napięcia na rezystorze kolektorowym R2. Napięcie zmniejsza się aż uzyskuje stałą wartość, prawie równą 0 V. Jest to stan nasycenia tranzystora. Tranzystor pracujący tylko w dwóch stanach, nasycenia i odcięcia, nazywamy kluczem.

20 Tranzystor jako klucz Rys.14. Tranzystor jako element kluczujący Sporządź układ jak na rysunku, po uruchomieniu symulacji porównaj sygnał wejściowy na bazie tranzystora z napięciem na kolektorze tranzystora.

21 Pojawienie się wysokiego napięcia na bazie tranzystora (powyżej 0,7V) powoduje załączenie tranzystora i przepływ prądu przez Rezystor R1, napięcie na kolektorze będzie prawie równe 0V. Taki układ działa też jak negator sygnału, co jest wykorzystywane w technice cyfrowej: Gdy na wejściu jest napięcie niskie, to na wyjściu jest napięcie zasilania 5V. Gdy na wejście podamy napięcie 5V, na wyjściu otrzymamy napięcie prawie równe 0V. Tak więc podając napięcie na bazę tranzystora możemy go włączyć i wtedy napięcie na kolektorze jest prawie równe potencjałowi emitera.

22 Aby zaobserwować te zależności w obwodzie kolektora należy umieścić żarówkę z biblioteki Indicators. Taką samą żarówkę należy dołączyć w obwodzie bazy tranzystora. Obie mają mieć podpięty jeden biegun do zasilania 5V. Częstotliwość z generatora obniżyć, aby widoczne było pulsacyjne świecenie żarówek. Rys.15. Badanie tranzystora jako klucza

23 Tranzystor w układzie wzmacniacza napięciowego w układzie: wspólny emiter WE Należy zbudować układ jak na rysunku 16. Rezystory R1, R2 powodują iż tranzystor pracuje w zakresie napięć wejściowych pomiędzy zatkaniem a nasyceniem jako wzmacniacz. Czyli sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do sygnału wejściowego. Rys.16. Wzmacniacz napięciowy w układzie wspólnego emitera

24 Jako źródła sygnału należy użyć AC_VOLTAGE z biblioteki Sources, Signal Voltage Sources. Na oscyloskop podać sygnał ze źródła (kanał 1) oraz z obciążenia wzmacniacza R5 (kanał 2). Amplituda sygnału wejściowego 10mV, częstotliwość 10 khz. Rys.17. Badanie wzmacniacza

25 Należy dokonać pomiaru wzmocnienia wzmacniacza (stosunku amplitudy sygnału wyjściowego do wejściowego). Następnie należy zwiększyć amplitudę sygnału wejściowego do poziomu 0,5V. Jaka jest przyczyna pojawienia się zniekształceń sygnału wyjściowego? (rysunek 18) Rys.18. Zniekształcenia sygnału wyjściowego

26 Stabilizator napięcia z tranzystorem bipolarnym. Tranzystor bipolarny w układzie wtórnika emiterowego (sygnał wejściowy jest podawany na kolektor tranzystora, wyjście stanowi emiter), często służy do budowy stabilizatorów napięcia. Tzn. w układzie napięcie wyjściowe jest stałe i niezależne od obciążenia i napięcia wejściowego. Prezentowany układ jest najbardziej podstawowy, nie zapewnia więc doskonałej stabilizacji.

27 Zbudować układ jak na rysunku 19. Jako elementu stabilizacyjnego użyć diody Zenera 1N5231B (napięcie stabilizowane 5,1V). Rys.19. Stabilizator napięcia Zaobserwować, że napięcie wyjściowe jest równe napięciu na diodzie Zenera minus napięcie baza emiter tranzystora.

28 Należy zaobserwować zachowanie napięcia wyjściowego przy zmianach napięcia wyjściowego źródła DC. Tranzystor MOSFET MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) technologia produkcji tranzystorów polowych z izolowaną bramką. Budowa tranzystora MOSFET [Źródło:

29 W tranzystorach MOSFET obowiązuje inne nazewnictwo: Zamiast EMITER: ŹRÓDŁO Zamiast BAZA: BRAMKA Zamiast KOLEKTOR: DREN W tranzystorze bipolarnym dużym prądem kolektora sterował mały prąd bazy. W tranzystorach polowych dużym prądem drenu steruje napięcie bramki.

30 Tranzystor MOS polaryzuje się tak, żeby jeden rodzaj nośników (nie ma nośników większościowych i mniejszościowych elektrony w kanale typu N, dziury w kanale typu P) płynął od źródła do drenu. Wyróżnia się dwa zakresy pracy: 1.zakres nienasycenia (liniowy, triodowy) 2.zakres nasycenia (pentodowy)

31 Klucz tranzystorowy z tranzystorem MOSFET-N Sporządzić układ jak na rysunku 21. Rys.21. Badanie tranzystora MOSFET-N Zaobserwować zmieniając nastawę potencjometru R3, przy jakim napięciu bramki następuje załączenie klucza!

32 W miejsce źródła napięcia DC w obwodzie bramki oraz potencjometru należy dołączyć generator przebiegów sinusoidalnych. Sygnał z generatora podać na wejście 1 oscyloskopu. Na 2 wejście oscyloskopu podać sygnał z drenu tranzystora. Zaobserwować sygnał na drenie tranzystora. Rys.22. Tranzystor jako klucz

33 Wzmacniacze operacyjne Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy różnicowy wzmacniacz prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu (oraz dużej impedancji wejściowej). Napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego powinno być proporcjonalne do różnicy napięć wejściowych, zgodnie z zależnością: Uwy = KU ( UB - UA) KU - współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego (tzw. wzmocnienie różnicowe),

34 A B - + VCC VSS Symbol wzmacniacza operacyjnego VCC zasilanie dodatnie (zwykle +15V), VSS- Zasilanie ujemne (zwykle 15V) Wzmocnienie sygnału różnicowego w idealnym wzmacniaczu operacyjnym jest równe nieskończoność, do wejść A i B nie wpływa żaden prąd, wzmocnienie sygnału wspólnego jest równe 0.

35 UB, UA - napięcia podane na wejścia: nieodwracające i odwracające Jeżeli do obu wejść zostaną doprowadzone takie same sygnały względem masy (UA = UB), to sygnał na wyjściu będzie równy zeru (Uwy = 0). Tego rodzaju sygnał wejściowy nazywa się sygnałem wspólnym. Wzmacniacze operacyjne wykorzystuje się w układach ze sprzężeniem zwrotnym. Sprzężenie zwrotne polega na doprowadzeniu części sygnału wyjściowego z powrotem do wejścia wzmacniacza. Ujemne sprzężenie zwrotne ma miejsce, gdy fazy sygnału wejściowego i sygnału sprzężenia zwrotnego są przeciwne.

36 Wzmacniacz odwracający fazę I2 R2 +15V I1 Uwe R1 UAB A B - + VCC VSS Uwy -15V Rys.23. Schemat układu

37 Wzmocnienie układu wzmacniacza odwracającego K=Uwy/Uwe

38 Zaprojektować wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu 10, 50, 100. Na wejście wzmacniacza podać sygnał z generatora o amplitudzie 0,5V i częstotliwości 10 khz. Zaobserwować sygnał na wyjściu przy pomocy oscyloskopu. W jaki sposób zmierzyć wzmocnienie układu? Sprawdzić jak zachowa się sygnał wyjściowy gdy częstotliwość sygnału wejściowego wzrośnie przy stałej amplitudzie dla wzmocnienia 10 i 100. Zasilanie układu wzmacniacza operacyjnego 741 (biblioteka Analog, OPAMP ) to symetryczne napięcia +12V (wyprowadzenie 7) i 12V (wyprowadzenie 4).

39 Rys.24. Wzmacniacz odwracający

40 Nastawy generatora i oscyloskopu pokazuje rysunek 25. Rys.25. Nastawy urządzeń pomiarowych

41 Wzmacniacz nie odwracający fazy I2 R2 +15V I1 R1 A - VCC UA Uwe + VSS -15V Uwy Rys.26. Schemat układu

42 Wzmocnienie układu wzmacniacza nieodwracającego K=Uwy/Uwe Należy zauważyć, że wzmocnienie tego wzmacniacza jest zawsze większe od 1.

43 Zaprojektować wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu 20, 40, 120. Na wejście wzmacniacza podać sygnał z generatora o amplitudzie 0,5V. Zaobserwuj sygnał na wyjściu przy pomocy oscyloskopu. W jaki sposób zmierzyć wzmocnienie układu?