Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra utomatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIK ENS1C300 022 WYBRNE ZSTOSOWNI DIOD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH BIŁYSTOK 2013
1. CEL I ZKRES ĆWICZENI LBORTORYJNEGO Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest: poznanie podstawowych właściwości i parametrów diod półprzewodnikowych (prostowniczych, uniwersalnych, stabilizacyjnych, pojemnościowych, stabilizatorów prądu); zapoznanie się z kartami katalogowymi badanych elementów; pomiar statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych diod półprzewodnikowych; badanie wybranych układów z diodami półprzewodnikowymi. Szczegółowy zakres ćwiczenia oraz typy i symbole badanych elementów podaje prowadzący na początku ćwiczenia. 2. WYPOSŻENIE STNOWISK POMIROWEGO makiety uniwersalne, przedstawione na rys.1 i rys. 2; uniwersalna płyta łączeniowa GL-12F z przewodami łączeniowymi; regulowany zasilacz laboratoryjny HM7042 (2x 0 32 V/0 2 + 1x 0 5,5 V/0 5 ); oscyloskop cyfrowy; generator funkcyjny; częstościomierz; multimetry uniwersalne. Pozostałe przyrządy pomiarowe będą dostępne w zależności od potrzeb, wynikających ze specyfiki badanego układu. a) 2
b) Rys. 1 Dwa rodzaje makiet uniwersalnych do badania diod półprzewodnikowych skala 1:1 (Oznaczenia: szare kółka gniazda bananowe 2mm, czarne prostokąty miniaturowe listwy łączeniowe do mocowania elementów z dwoma lub trzema zaciskami) Rys.2 Makieta do badania diod półprzewodnikowych oraz ich wybranych zastosowań 3
3. UKŁDY POMIROWE 3.1 Badanie diod półprzewodnikowych. 3.1.1 Układ do wyznaczanie charakterystyk statycznych metodą "punkt po punkcie". Najprostszą metodą wyznaczania charakterystyk statycznych diod jest metoda punkt po punkcie". Metoda ta jest czasochłonna i nie pozwala na wyznaczanie charakterystyk statycznych w dużym zakresie prądów i napięć, ponieważ dioda nagrzewa się i otrzymywane charakterystyki są nie tylko funkcją jej właściwości elektrycznych, ale również temperatury. Pomiar powinien być więc wykonany możliwie szybko i przy wartościach prądów i napięć znacznie niższych od dopuszczalnych. Zaletą metody jest stosunkowo duża dokładność. Podstawowe układy do wyznaczania charakterystyk statycznych diod metodą punkt po punkcie" przedstawiono na rysunku 3. + Zasilacz regulowany R V _ a) + Zasilacz regulowany R V _ b) Rys.3 Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych złącza p-n metodą punkt po punkcie : a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym Pierwszy z przedstawionych układów, jest układem do pomiaru małych rezystancji (dokładny pomiar napięcia na diodzie) i może być wykorzystany do wyznaczania charakterystyki złącza p-n w kierunku przewodzenia, natomiast drugi służy do pomiaru dużych rezystancji (dokładny pomiar prądu) i wykorzystywany jest do zdejmowania charakterystyki zaporowej. Uwaga! Zastanowić się nad sposobem pomiaru charakterystyk diody stabilizacyjnej. 4
3.1.2. Układ do wyznaczania charakterystyk statycznych diod metodą oscyloskopową. Zalety metody oscyloskopowej: możliwa jest obserwacja małych nieregularności charakterystyki, które mogłyby być pominięte (przeoczone) w metodzie "punkt po punkcie", przy małym współczynniku wypełnienia impulsów napięcia i prądu badany element nagrzewa się nieznacznie, co pozwala na obserwacje w szerszym zakresie prądów, na ekranie oscyloskopu można obserwować charakterystykę prądowo-napięciową jednocześnie dla obu polaryzacji złącza. Wadą omówionej metody jest stosunkowo mała dokładność. Transformator 230V/24V R1 u d D do kanału X oscyloskopu R i d R do kanału Y oscyloskopu Rys.4 Uproszczony schemat do wyznaczania charakterystyk prądowo-napięciowych diod półprzewodnikowych metodą oscyloskopową. Wyznaczając charakterystyki prądowo-napięciowe metodą oscyloskopową, diodę zasila się ze źródła napięcia zmiennego niskiej częstotliwości. W najprostszym przypadku może to być obniżone, za pomocą transformatora, napięcie sieci (rys. 4). Spadek napięcia na diodzie D jest doprowadzony do wejścia X oscyloskopu, natomiast spadek napięcia na rezystorze pomiarowym R - proporcjonalny do prądu płynącego przez diodę - do wejścia Y. Ze względu na umiejscowienie masy w układzie pomiarowym należy w oscyloskopie włączyć inwersję kanału Y. Sumaryczną wartość rezystancji R i R1 dobieramy w taki sposób, aby prąd płynący w obwodzie był mniejszy od dopuszczalnego prądu badanej diody, zaś wartość rezystora R powinna zapewnić łatwe przeliczanie czułości kanału Y z napięciowej (V/div) na prądową (I/div). 5
Rys.5 Charakterystyka prądowo napięciowa diody Zenera (C3V6) zdjęta metodą oscyloskopową Przykładowa charakterystyka prądowo - napięciowa diody Zenera (C3V6) pokazana została na rys. 5 (R1 = 680Ω, R = 51Ω). W przypadku, gdy chcemy obserwować charakterystykę jedynie w kierunku przewodzenia, należy szeregowo z rezystorem R1 włączyć pomocniczą diodę prostowniczą, zapewniającą przepływ prądu przez badaną diodę D tylko w jednym kierunku. 3.2 Schematy wybranych układów z diodami półprzewodnikowymi 3.2.1 Prostownik jednopołówkowy Transformator 230V/24V + C R obc 3.2.2 Prostownik dwupołówkowy Transformator 230V/24V + C R obc 6
3.2.3 Stabilizator napięcia z diodą Zenera R U we DZ R obc U wy 3.2.4 Symetryczne i niesymetryczne diodowe ograniczniki napięcia U we R B U wy DZ1 DZ1 B DZ1 DZ2 B D1 DZ1 B 4. POMIRY Uwaga! Przed rozpoczęciem pomiarów: zapoznać się z kartami katalogowymi badanych przyrządów półprzewodnikowych (dostępne w laboratorium lub na stronach internetowych); zanotować najważniejsze parametry dopuszczalne i charakterystyczne badanych elementów. 4.1 wyznaczyć metodą punkt po punkcie charakterystyki statyczne wybranych diod w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym; 4.2 wyznaczyć charakterystyki statyczne wybranych diod metodą oscyloskopową (w kierunku przewodzenia, w kierunku zaporowym lub w obu kierunkach jednocześnie); 4.3 zbadać wpływ wartości pojemności filtrującej na wartość tętnień na wyjściu prostownika jednopołówkowego (dwupołówkowego) przy stałej wartości rezystancji obciążenia; 7
4.4 zbadać wpływ wartości rezystancji obciążenia na wartość tętnień na wyjściu prostownika jednopołówkowego (dwupołówkowego) przy stałej wartości pojemności filtrującej; 4.5 zdjąć charakterystyki przejściowe (Uwy = f(uwe) )stabilizatora napięcia z diodą Zenera metodą punkt po punkcie przy Robc = 100 Ω oraz przy odłączonym obciążeniu (zakres napięć wejściowych od 0 do 2U Z ); 4.6 zdjąć charakterystyki przejściowe stabilizatora napięcia z diodą Zenera metodą oscyloskopową przy Robc = 100 Ω oraz przy odłączonym obciążeniu (zakres napięć wejściowych od 0 do 2U Z ); 4.7 na wejście stabilizatora podać napięcie z prostownika z tak dobraną wartością pojemności filtrującej, aby wartość międzyszczytowa tętnień była rzędu 2-3V; zarejestrować oscylogramy napięć na wejściu i wyjściu stabilizatora; 4.8 zdjąć charakterystyki przejściowe diodowych ograniczników napięcia metodą oscyloskopową. 5. OPRCOWNIE WYNIKÓW POMIRÓW Uwaga! Protokół pomiarowy po zakończeniu ćwiczenia powinien być podpisany przez prowadzącego i dołączony do sprawozdania z ćwiczenia. W sprawozdaniu należy zamieścić: schematy układów pomiarowych oscylogramy wyniki pomiarów w postaci tablic i wykresów W zależności od zakresu wykonanych badań: oszacować rezystancje statyczne i dynamiczne diody w 3-4 wybranych punktach charakterystyki (kierunek przewodzenia i zaporowy); sformułować wnioski; określić napięcia progowe lub napięcia Zenera badanych diod, porównać z danymi katalogowymi; wykreślić charakterystykę statyczną diody dla kierunku przewodzenia w skali półlogarytmicznej (napięcie liniowo, prąd logarytmicznie); skomentować otrzymaną zależność; 8
sformułować wnioski, wynikające z badania wybranych układów z diodami półprzewodnikowymi. 6. WYMGNI BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP, obowiązującą w Laboratorium, oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. 7. LITERTUR 1. Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E. Pomiary przyrządów półprzewodnikowych, WKiŁ, Warszawa, 1990. 2. Marciniak W. Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, 1984 3. Polowczyk M., Klugman E. Przyrządy półprzewodnikowe, Wyd. Politechniki Gdańskiej, 2001 4. Filipkowski. Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe, WNT, 2006 5. Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe, WNT, 2009. 9