LABORATORIUM Z PODSTAWOWYCH UK ADÓW ELEKTRYCZNYCH

LABORATORIUM Z PODSTAWOWYCH UK ADÓW ELEKTRYCZNYCH KL-210 ROZDZIAŁ 1 WŁAŚCIWOŚCI DIODY ROZDZIAŁ 3 DIODOWE UKŁADY OBCINANIA I POZIOMOWANIA MODUŁY: KL-22001 KL-25001

Spis tre ci Rozdzia 1 W asno ci diody wiczenie 1-1 W asno ci diody p-n... A. Wyznaczanie charakterystyki I=f(V) diody krzemowej (I) z u yciem oscyloskopu B. Wyznaczenie charakterystyki I=f(V) diody krzemowej (II) z u yciem woltomierza i amperomierza.. C. Wyznaczenie charakterystyki I=f(V) diody germanowej (I) z u yciem woltomierza i amperomierza.. D. Wyznaczenie charakterystyki I=f(V) diody germanowej (II) z u yciem oscyloskopu.. wiczenie 1-2 W asno ci diody Zenera.. A. Wyznaczenie charakterystyki I=f(V) diody Zenera (I) z u yciem woltomierza i amperomierza B. Wyznaczenie charakterystyki I=f(V) diody Zenera (II) z u yciem oscyloskopu.. wiczenie 1-3 W asno ci diody LED.. A. Sprawdzenie zale no ci jaskrawo ci wiecenia diody od pr du I F. B. Pomiar pr du I F diod LED... wiczenie 1-4 W asno ci fotodiody. 3 16 18 20 22 25 27 29 32 33 34 38 Rozdzia 3 Diodowe uk ady diodowe obcinania i poziomowania wiczenie 3-1 Uk ady obcinania.. 43 A. Uk ad obcinania z diod szeregow.. 51 B. Uk ad obcinania z diod szeregow i polaryzacj wst pn.. 52 C. Uk ad obcinania z diod równoleg.. 54 D. Uk ad obcinania z diod równoleg i polaryzacj wst pn.. 56 wiczenie 3-2 Uk ady poziomowania. 59 A. Diodowy uk ad poziomowania 64 B. Diodowy uk ad poziomowania z polaryzacj wst pn 65 2

Rozdzia 1 W asno ci diody wiczenie 1-1 W asno ci diody p-n PRZEDMIOT WICZENIA 1. Zrozumienie w asno ci diod ze z czem p-n. 2. Poznanie w asno ci diod ka dego typu. 3. Nauka testowania parametrów diod ka dego typu za pomoc ró nych przyrz dów. DYSKUSJA Domieszkowanie Aby móc wymusza przez pó przewodnik du y pr d, domieszkuje si pó przewodnik samoistny pierwiastkami trójwarto ciowymi (takimi jak bor, gal lub ind) lub pi ciowarto ciowymi (takimi jak antymon, arsen lub fosfor), uzyskuj c w ten sposób wi cej dziur lub wolnych elektronów. Wy ej wymieniony proces jest nazywany domieszkowaniem, a u yte do tego pierwiastki domieszkami. Jon Gdy z jakichkolwiek powodów zewn trzna orbita atomu zyska lub straci jeden lub wi cej elektronów, to taki przekszta ca si w jon. Je li atom pierwiastka trójwarto ciowego zyska elektron, to zostanie przekszta cony on w jon ujemny (rys. 1-1-1). Je li atom pierwiastka pi ciowarto ciowego straci elektron, to zostanie przekszta cony on w jon dodatni (rys. 1-1-2). 3

Rys.1-1-1 Atom pierwiastka trójwarto ciowego Rys. 1-1-2 Atom pierwiastka pi ciowarto ciowego W uproszczeniu, diod konstruuje si tworz c z cze z dwóch pó przewodników: typu p i typu n. cz c ze sob kilka kawa ków materia u pó przewodnikowego typu p i typu n, otrzymuje si elementy o ró nych parametrach elektrycznych, które wykorzystuje si nast pnie do realizacji ró nych funkcji podzespo ów przewodnikowych. Aby lepiej pozna charakterystyk, powinno zaznajomi si najpierw z atomem, elektronami walencyjnymi, pó przewodnikiem itd. Zostan one opisane poni ej szczegó owo. Struktura atomu Na rys. 1-1-3 przedstawiono struktur atomu. J dro atomu jest zbudowane z protonów i neutronów, przy czym neutron nie jest no nikiem adunku. Rys. 1-1-3 Struktura atomu Ka dy z elektronów znajduj cych si na orbitach otaczaj cych j dro i poruszaj cych si dooko a niego przenosi adunek ujemny. Ca kowity adunek przenoszony przez protony j dra atomowego jest równy ca kowitemu adunkowi przenoszonemu przez elektrony otaczaj ce j dro. Dzi ki temu atom jako ca- o jest elektrycznie oboj tny (neutralny). 4

Elektron walencyjny Liczb elektronów znajduj cych si na orbicie atomowej wyra a si wzorem 2n 2, gdzie n jest numerem warstwy danej orbity. Sposób obliczania liczby elektronów na poszczególnych orbitach atomowych zilustrowano na rys. 1-1-4. Elektrony znajduj ce si na orbicie zewn trznej nazywa si elektronami walencyjnymi. W asno ci elektryczne materia u tj. zdolno do przewodzenia pr du elektrycznego mo na wyt umaczy na postawie znajomo ci liczby jego elektronów walencyjnych. Izolator: Najtrudniej wymusi przep yw pr du w materiale izolacyjnym (izolatorze), który jest najcz ciej zbudowany z atomów maj cych po 8 elektronów walencyjnych. Aby zmusi izolator do przewodzenia trzeba uwolni te elektrony (wolne elektrony). Przewodnik: Naj atwiej wymusi przep yw pr du w przewodniku, który najcz ciej ma tylko jeden elektron walencyjny (wolny elektron). Pó przewodnik: Liczba elektronów walencyjnych atomów tworz cych materia pó przewodnikowy jest wi ksza ni w przypadku przewodnika, lecz mniejsza ni w przypadku izolatora i wynosi typowo cztery. Taka sama jest zdolno pó przewodnika do przewodzenia pr du elektrycznego. Jest mniejsza ni przewodnika, lecz wi ksza ni izolatora. Rys. 1-1-4 Elektrony na orbitach atomu Pó przewodnik samoistny Je li do przewodnika wprowadzimy materia b d cy domieszk, to cztery elektrony znajduj ce si na jego orbicie zewn trznej zostan zwi zane z przyleg ymi atomami tworz c o mio cian (rys. 1-1-5), w którym ka dy z dwóch s siednich elektronów stworzy wi zanie kowalentne. Poniewa po utworzeniu wi za kowalentnych elektrony s ju ze sob powi zane, zatem w pó przewodnik samoistny nie jest przewodz cy. Je li jednak tempera- 5

tura zewn trzna jest wi ksza ni temperatura zera bezwzgl dnego (-273 C), to wyst puje jednak niewielki ruch elektronów i elektrony te mo na uwolni tj. wyrwa z wi za kowalentnych, aby zachowa y si one jak wolne elektrony (rys. 1-1-6). Gdy elektron zostanie uwolniony z wi za kowalentnych, to miejsce powsta e po nim nazywa si dziur. Po uwolnieniu elektronu z atomu, który pierwotnie by neutralny, atom ten przekszta ca si w jon dodatni (o adunku dodatnim). W materiale pó przewodnikowym, jakim jest krzem i german, znajduj cym si w temperaturze pokojowej istnieje niewiele wolnych elektronów, których liczba jest równa liczbie dziur (tj. n=p), zatem pó przewodnik samoistny jest ca kowicie nieprzewodz cy. Rys. 1-1-5 Struktura o mio cienna (cztery zestawy wi za kowalentnych) Rys. 1-1-6 Elektron uwolniony z wi zania kowalentnego 6

Pó przewodnik typu n Je li pó przewodnik czterowarto ciowy taki jak german lub krzem zostanie domieszkowany w sposób jednorodny pierwiastkiem pi ciowarto ciowym, to elektrony walencyjne powi si tworz c wi zania kowalentne. Zatem ka dy atom pi ciowarto ciowy zwi e si z przyleg ym elementem atomem czterowarto ciowym tworz c wi zanie kowalentne. Efektem tego b dzie pojawienie si jednego dodatkowego elektronu (rys. 1-1-7). W ten sposób powsta y pó przewodnik jest nazywany pó przewodnikiem typu n (n: elektrycznie ujemny, gdy elektron jest no nikiem adunku ujemnego). W wyniku domieszkowania materia u pó przewodnika samoistnego zbudowanego z atomów pi ciowarto ciowych, pojawi si elektrony dodatkowe (dodane). Atomy takie nazywa si donorami. Po domieszkowaniu atomów pi ciowarto ciowych pó przewodnika samoistnego, pojawi si nadmiar elektronów (wolnych elektronów). Elektrony, które stanowi wi kszo w stosunku do dziur nazywa si w tym przypadku no nikami wi kszo ciowymi, podczas, gdy dziury, które s w mniejszo ci nazywa si no nikami mniejszo ciowymi. Rys. 1-1-7 Struktura pó przewodnika typu n Pó przewodnik typu p Gdy atomy trójwarto ciowe takie jak bor, gal czy ind zostan wprowadzone w sposób jednorodny do germanu lub krzemu, to ich elektrony walencyjne b d tworzy ze sob wi zania kowalentne. Ka dy atom trójwarto ciowy, który w celu stworzenia wi zania kowalentnego powi e si z przyleg ymi atomami czterowarto ciowymi (german, krzem) stworzy te w sobie jedno takie miejsce, w którym b dzie brakowa o elektronu. Ten brak miejsca nazywa si dziur (rys. 1-1-8). Przewodnik domieszkowany atomami trójwarto- ciowymi jest nazywany pó przewodnikiem typu p (p: dodatni, gdy dziura zachowuje si jak element elektrycznie dodatni). 7

Po domieszkowaniu pó przewodnika samoistnego atomami trójwarto ciowymi powstanie dziura (brak elektronu), która jest gotowa do wype nienia jej przez elektron zewn trzny. Taki atom trójwarto ciowy jest te nazywany akceptorem. Rys. 1-1-8 Struktura pó przewodnika typu p Po domieszkowaniu atomów trójwarto ciowych pó przewodnika samoistnego, pojawi si nadmiar dziur. Dziury, które stanowi wi kszo w stosunku do elektronów nazywa si w tym przypadku no nikami wi kszo ciowymi, podczas, gdy elektrony, które s w mniejszo- ci nazywa si no nikami mniejszo ciowymi. Uznaje si zwykle dziur jako elektrycznie dodatni. Gdy wi zanie kowalentne nie jest kompletne i wyst puje w nim dziura, to ka dy elektron walencyjny w przyleg ych atomach opu ci swoje wi zanie kowalentne, aby j zape ni. Po opuszczeniu wi zania kowalentnego przez elektron, aby zape ni dziur, powstaje po nim nowa dziura. Ta nowa dziura czeka na nowy elektron z innego wi zania kowalentnego. Proces ten powtarza si, w efekcie dziura porusza si w kierunku przeciwnym do ruchu elektronu. Jak przedstawiono to na rys. 1-1-9, ze wzgl du na to, e elektron znajduj cy si w pe nym wi zaniu kowalentnym opuszcza je po to, aby zape ni dziur, zatem, gdy patrzymy na rz dy od 1 do 2 rysunku, elektron ten porusza si z prawo na lewo. Dziura natomiast b dzie si przesuwa wzgl dem elektronu z lewa na prawo. Innymi s owy kierunek strumienia elektronów b dzie przeciwny do kierunku strumienia dziur. Elektron, który jest no- nikiem adunku ujemnego mo e zape ni dziur, gdy wi zanie kowalentne, które reprezentuje dziur przyci ga inne elektrony w celu utworzenia o mio cianu. Oddzia ywanie mi dzy elektronem a dziur jest podobne do przyci gania mi dzy adunkami ujemnymi a dodatnimi. Poniewa elektron jest no nikiem adunku ujemnego, uwa a si, e dziura jest no nikiem adunku dodatniego. 8

Rys. 1-1-9 Przesuwanie si elektronów Dioda ze z czem p-n Niech pó przewodnik typu p zostanie z czony z pó przewodnikiem typu n tak, jak to przedstawiono na rys. 1-1-10. Poniewa w pó przewodniku typu p istnieje wiele dziur, a w pó przewodniku typu n jest wiele elektronów, zatem po utworzeniu z cza p-n elektrony znajduj ce si w pobli u z cza b d zape nia dziury, które tak e w pobli u niego si znajduj (rys. 1-1-10(a)). Pó przewodnik typu n znajduj cy si w pobli u z cza po utracie elektronu zjonizuje si dodatnio, podczas, gdy pó przewodnik typu p po utracie dziury zjonizuje si ujemnie, jak to przedstawiono na rys. 1-1-10(b). Rys. 1-1-10 Z cze pó przewodników typu p i n Zatem w obszarze bliskim z cza, liczba no ników (elektronów lub dziur) zmniejszy si, podczas, gdy b d mog istnie wy cznie jony dodatnie lub ujemne. Obszar ten jest nazywany obszarem zubo onym. Poniewa w tym obszarze zubo onym jony dodatnie odpychaj dziury, a jony ujemne odpychaj elektrony, zatem ci g e cznie, czyli rekombinacja dziur i elektronów jest zabroniona. 9

Si a, która zabrania elektronom i dziurom przechodzi przez z cze, a zwi zana z jonizacj w obszarze zubo onym jest nazywana barier potencja u. Typowa warto bariery potencja u dla z cza p-n zbudowanego z germanu (Ge) wynosi w przybli eniu 0,2-0,3 V, a typowa warto bariery potencja u dla z cza p-n zbudowanego z krzemu (Si) wynosi w przybli eniu 0,6-0,7 V. Polaryzacja w kierunku przewodzenia Jak to przestawiono na rys. 1-1-11, gdy do warstwy p i n z cza doprowadzimy wyprowadzenia dodatnie i ujemne zewn trznego ród a napi cia, to takie do czenie nazywa si spolaryzowaniem (z cza) w kierunku przewodzenia. Je li napi cie polaryzuj ce z cze w kierunku przewodzenia jest wystarczaj ce du e, aby przezwyci y barier potencja u, to dodatnie wyprowadzenie ród a napi cia b dzie przyci ga elektrony, a ujemne je odpycha. Elektrony znajduj ce si w pó przewodniku typu n b d, zatem przechodzi przez z cze p-n do pó przewodnika typu p i rekombinowa z dziurami. W zwi zku z jonizacj atomów w pó przewodniku typu n wywo an przez zewn trzne ród o (E) i zwi zanym z tym odp ywem elektronów powstaje w nim wiele dziur. Elektrony, których ruch jest wymuszany przez napi cie z zewn trznego ród a przesuwaj si w sposób ci g y tworz c strumie elektronów przep ywaj cy od ujemnego wyprowadzenia ród a do jego wyprowadzenia dodatniego, przy czym kierunek tego ruchu jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów przyj tego jako konwencja. Napi cie przy o one do z cza p-n diody w kierunku przewodzenia powoduje przep yw pr du w kierunku przewodzenia oznaczanego jako I F. Warto pr du I F jest wprost proporcjonalna do si y elektromotorycznej zewn trznego ród a E i odwrotnie proporcjonalna do rezystancji wewn trznej r diody. Rys. 1-1-11 Polaryzacja z cza w kierunku przewodzenia Pojemno dyfuzyjna: Definiuje si j jako szybko wprowadzania adunku w stosunku do napi cia. 10

Pojemno dyfuzyjna jest wprost proporcjonalna do pr du I. Polaryzacja w kierunku zaporowym Je li wyprowadzenia dodatnie i ujemne ród a zasilania E zostan do czone odpowiednio do warstw n i p, jak to przedstawiono na rys. 1-1-12, to zarówno elektrony jak i dziury b d przyci gane przez to ród o i b d oddala si od z cza powi kszaj c obszary zubo one, i aden elektron, ani dziura nie przejdzie przez z cze w celu rekombinacji. Taka metoda przy o enia do z cza napi cia ze ród a zewn trznego nazywa si polaryzowaniem z cza w kierunku zaporowym. Rys. 1-1-12 Polaryzacja z cza w kierunku zaporowym Gdy do z cza p-n zostanie przy o one napi cie polaryzuj ce je w kierunku zaporowym, to w idealnym przypadku, nie pop ynie przez nie aden pr d. Jednak w zwi zku z wp ywem temperatury, powsta a energia termiczna spowoduje pojawienie si w pó przewodniku par elektron-dziur, tj. par no ników mniejszo ciowych. Gdy do z cza p-n zostanie przy o one napi cie zaporowe, to elektrony b d ce no nikami mniejszo ciowymi w pó przewodniku typu p b d przechodzi przez z cze i rekombinowa z dziurami w pó przewodniku typu n, b d cymi w tym pó przewodniku równie no nikami mniejszo ciowymi. W praktyce, gdy do z cza przy o y si napi cie zaporowe, to przez z cze to pop ynie bardzo ma y pr d. Pr d ten jest nazywany wstecznym pr dem up ywowym z cza lub pr dem nasycenia z cza w kierunku zaporowym i oznaczany jako I R lub I S. Pr d I R nie zale y od wielko ci polaryzacji z cza w kierunku zaporowym, lecz od temperatury. Niezale nie, czy z cze jest wykonane z germanu, czy te z krzemu, to pr d I R b dzie podwaja si przy ka dorazowym wzro cie temperatury o 10 C. W takich samych warunkach zmian temperatury zmian pr du I R lub I S diody krzemowej wynosi zaledwie 0,1%-1% zmian pr du diody germanowej. Poniewa pr d I R diody germanowej wynosi 1-11

2 µa, to diod, spolaryzowan zaporowo w temperaturze pokojowej 25 C uwa a si jako rozwarcie. Poniewa spolaryzowanie z cza w kierunku zaporowym powoduje powi kszenie obszaru zubo onego, zatem pojemno z cza zmniejsza si. Innymi s owy, im z cze jest bardziej spolaryzowane w kierunku zaporowym, tym mniejsza jest pojemno. Przebicie Gdy do idealnej diody p-n przy o y si napi cie polaryzuj ce j w kierunku zaporowym, to pr d I R bedzie bardzo ma y. Je li jednak przy o one napi cie zaporowe stanie si zbyt du e (wi ksze od warto ci znamionowej), to no niki mniejszo ciowe b d zyskiwa energie na tyle du, e uderzaj c w wi zania kowalentne b d rozrywa je, powoduj c w efekcie znaczny wzrost liczby par elektron-dziura. Te nowo powsta e elektrony i dziury b d pobiera energi ze ród a zewn trznego rozrywaj c nast pne wi zania kowalentne. Ruch wolnych elektronów zostanie przy pieszony, a pr d wsteczny wzro nie znacznie. Zjawisko to jest nazywane przebiciem. Gdy w zwi zku ze wzrostem napi cia polaryzuj cego diod w kierunku zaporowym, wyst pi w niej zjawisko przebicia, to dioda spali si, o ile nie ograniczy si pr du. Maksymalne napi cie przyk adane do diody zanim wyst pi jej przebicie jest nazywane wstecznym napi ciem szczytowym i oznaczane V R. Budowa i symbol diody Diod konstruuje si do czaj c do z cza p-n metod zgrzewania dwa druty, a nast pnie umieszczaj c j w obudowie ceramicznej lub szklanej (w przypadku diod du ej mocy zamiast obudów szklanych stosuje si obudowy metalowe, aby u atwi odprowadzanie ciep a). Symboliczny rysunek z cza p-n diody przedstawiono na rys. 1-1-13(a), a na rys. 1-1- 13(b) jej symbol u ywany na schematach uk adów elektronicznych. Z kolei na rys. 1-1- 13(c) przedstawiono oznaczenie katody umieszczone na obudowie diody. Rys. 1-1-13 Symbole uk adowe diod p-n 12

Charakterystyka diody (krzywa I=f(V)) Rys. 1-1-14 Charakterystyki diod Charakterystyk diody w kierunku przewodzenia przedstawiono w pierwszej wiartce uk adu wspó rz dnych z rysunku 1-1-14(b). Mo na na niej zauwa y, e je li napi cie przy o one do diody w kierunku przewodzenie jest mniejsze od napi cia odci cia (Vr), to pr d p yn cy przez diod jest bardzo ma y. Gdy napi cie polaryzuj ce diod w kierunku przewodzenia przekroczy warto napi cia odci cia (0,2 V dla diody germanowej i 0,6 V dla diody krzemowej), to pr d I F gwa townie ro nie tak, e dioda zaczyna funkcjonowa jak zwarcie uk adu (przy napi ciu V F wynosz cym ok. 0,7 V). Uk ad zast pczy diody pracuj cej w takich warunkach jest przedstawiony na rys. 1-1-15. 13

Rys. 1-1-15 Charakterystyka diody idealnej Posi kuj c si schematem zast pczym diody przedstawionym na rys. 1-1-14 mo emy teraz obliczy pr d I F p yn cy przez diod z poni szego wzoru:, w którym r jest rezystancj wewn trzn diody Gdy temperatura b dzie wzrasta, to spadek napi cia na diodzie w kierunku przewodzenia b dzie si zmniejsza, a warto tego ujemnego przyrostu mo na obliczy ze wzoru:, w którym: T = wielko zmiany temperatury (wzrostu), K = -2,5 mv/ C dla krzemu i -1,3 mv/ C dla germanu Charakterystyk diody w kierunku zaporowym przedstawiono w trzeciej wiartce uk adu wspó rz dnych z rys. 1-1-14(b). Mo na opisa j nast puj co: (1) Pr d wsteczny diody przed przebiciem jest bardzo ma y, st d te diod pracuj c w takich warunkach mo na traktowa jako rozwarcie obwodu. (2) W temperaturze pokojowej pr d wsteczny diody germanowej I R wynosi w przybli eniu kilka µa, podczas, gdy pr d wsteczny diody krzemowej I R wynosi ok. 0,1-1% pr du diody germanowej. (3) Niezale nie od tego czy dioda jest krzemowa, czy germanowa, pr d I R b dzie wzrasta dwukrotnie przy ka dorazowym wzro cie temperatury o 10 C. (4) Gdy warto napi cia polaryzuj cego diod w kierunku zaporowym osi gnie warto napi cia przebicia, to pr d I R gwa townie wzro nie. 14

Porównanie diody krzemowej z germanow W tablicy 1-1-1 porównano diody krzemow i germanow, które wykonano stosuj c ten sam proces produkcyjny. Parametr Napi cie odci cia (Vr) ny) (Ir) Pr d up ywowy (wstecz- V Typ diody R Zakres temperatur 0,7 V 1/100 1/1000 Krzemowa Du e 200 C (0,6 V) pr du diody germanowej 0,3 V Germanowa Ma e 100 C kilka µa (0,2 V) Tablica 1-1-1 Porównanie parametrów diod germanowej i krzemowej Parametry diody G ównymi parametrami diody prostowniczej s : (1) Pr d znamionowy: Pr d redni, który mo e przep yn przez diod, gdy jej rezystancja jest u ywana jako obci enie. Pr d ten w danych technicznych diod jest oznaczany najcz ciej symbolem Io. (2) Szczytowe napi cie wsteczne: Jest oznaczane w danych technicznych diod najcz - ciej symbolem V R. Oznaczenia fabryczne diod (1) 1Sxxx: oznaczenie japo skie, na przyk ad 1S1604. (2) OAxxx: oznaczenie europejskie, na przyk ad OA200. (3) 1Nxxx: oznaczenie ameryka skie, na przyk ad 1N4001 W ród diod ww. najcz ciej s stosowane diody o oznaczeniach rozpoczynaj cych si na 1N. Parametry diod powszechnie u ywanych zamieszczono w tablicy 1-1-2. Oznaczenie Parametry Oznaczenie Parametry 1N4001 1 A / 50 V 1N5400 3 A / 50 V 1N4002 1 A / 100 V 1N5401 3 A /100 V 1N4003 1 A / 200 V 1N5402 3 A /200 V 1N4004 1 A / 400 V 1N5403 3 A /300 V 1N4005 1 A / 600 V 1N5404 3 A / 400 V 1S1905 1 A / 100 V 1S1996 3 A /200 V 1S1906 1 A / 200 V 1S1997 3 A /300 V 1S1907 1 A / 400 V 1S1998 3 A / 400 V Tablica 1-1-2 Parametry diod powszechnie u ywanych 15

NIEZB DNY SPRZ T LABORATORYJNY 1. KL-22001 podstawowy modu edukacyjny z laboratorium uk adów elektrycznych 2. KL-25001 modu diody, diody obcinaj cej i diody poziomuj cej 3. Oscyloskop 4. Multimetr PROCEDURA A. Wyznaczanie charakterystyki I=f(V) diody krzemowej (I) z u yciem oscyloskopu (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok a. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-1-16 i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-1-17. Do czy do uk adu potencjometr VR2 u ywaj c do tego celu przewodów. (3) Do wyprowadzenia wej ciowego (IN) doprowadzi z generatora funkcyjnego znajduj cego si w module KL-22001 sygna sinusoidalny o napi ciu mi dzyszczytowym 20 V i cz stotliwo ci 1 khz. (4) Do czy wyprowadzenia wej kana ów oscyloskopu CH2(Y), GND i CH1(X) odpowiednio do wyprowadze TP1, TP2 i TP3. W tym przypadku wej cie kana u CH1(X) jest u ywane do pomiaru i wy wietlenia napi cia diody, a wej cie kana u CH2(Y) do pomiaru i wy wietlenia pr du diody. (5) Ustawi oscyloskop na prac X-Y oraz wybra typ sygna u do prowadzanego do jego wej cia DC (sygna sta y). Ogl da wykres na oscyloskopie i zanotowa go na rysunku 1-1-18. (6) Kr c c potencjometrem VR2 (10 k ) obserwowa zmiany krzywej wy wietlonej na ekranie oscyloskopu. 16

Rys. 1-1-16 Uk ad pomiarowy krzywej I=f(V) Rys. 1-1-17 Schemat monta owy (modu KL-25001 blok a) Rys. 1-1-18 Zmierzona krzywa I=f(V) 17

B. Wyznaczanie charakterystyki I=f(V) diody krzemowej (II) z u yciem woltomierza i amperomierza (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok a. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-1-19 i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-1-20(a). Do czy do uk adu woltomierz i amperomierz. Do czy do uk adu potencjometr VR2 u ywaj c do tego celu przewodów. (3) Przy o y do modu u KL-25001napi cie sta e +12 V z zasilacza o napi ciu wyj- ciowym ustawionym na sta e znajduj cego si w module 22001. (4) Potencjometrem VR2 (10 k ) regulowa napi cie przy o one mi dzy dwa wyprowadzenia diody w zakresie od 0,1 V do 0,7 V z odst pem 0,1 V. Zmierzy i zapisa w tablicy 1-1-3 kolejne warto ci pr du przewodzenia I F. (5) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-1-19 i schematem po cze z rysunku 1-1-20(b) (po czenie w kierunku zaporowym). Do czy woltomierz i amperomierz. (6) Kr c c potencjometrem VR2 (10 k ) regulowa napi cie wsteczne V R doprowadzane do wyprowadze diody w zakresie od 0 V do 5 V z odst pem 1 V. Zmierzy i zanotowa kolejne warto ci pr du I R w tablicy 1-1-4. (7) Wykre li krzyw I=f(V) na rys. 1-1-21 u ywaj c do tego warto ci z tablic 1-1-3 i 1-1- 4. Rys. 1-1-19 18

Rys. 1-1-20 Schematy monta owe (modu KL25001 blok a) V F (V) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 I F (V) Tablica 1-1-3 V R (V) 1 2 3 4 5 I R (µa) Tablica 1-1-4 19

Rys. 1-1-21 Zmierzona krzywa I=f(V) C. Wyznaczanie charakterystyki I=f(V) diody germanowej (I) z u yciem woltomierza i amperomierza (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok a. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-1-22 i schematem po cze przedstawionym na rysunku 1-1-23(a) (po czenie w kierunku przewodzenia). Do czy do uk adu potencjometr VR2 u ywaj c do tego celu przewodów. Przy o y do modu u KL-25001 napi cie sta e +12 V z zasilacza o napi ciu wyj ciowym ustawionym na sta e znajduj cego si w module 22001. (3) Potencjometrem VR2 (10 k ) regulowa napi cie przy o one mi dzy dwa wyprowadzenia diody w zakresie od 0,1 V do 0,7 V z odst pem 0,1 V. Zmierzy i zapisa w tablicy 1-1-5 kolejne warto ci pr du przewodzenia I F. (4) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-1-22 i schematem monta owym z rysunku 1-1-23(b) (po czenie w kierunku zaporowym). Do- czy woltomierz i amperomierz. (5) Kr c c potencjometrem VR2 (10 k ) regulowa napi cie wsteczne V R doprowadzane do wyprowadze diody w zakresie od 0 V do 5 V z odst pem 1 V. Zmierzy i zanotowa kolejne warto ci pr du I R (bez przebicia) w tablicy 1-1-6. 20

(6) Wykre li krzyw I=f(V) na rys. 1-1-24 u ywaj c do tego warto ci z tablic 1-1-5 i 1-1-6. Rys. 1-1-22 Uk ad pomiarowy pr dów I F i I R Rys. 1-1-23 Schematy monta owe (modu KL-25001 blok a) 21

V F (V) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 I F (V) Tablica 1-1-5 V R (V) 1 2 3 4 5 I R (µa) Tablica 1-1-6 Rys. 1-1-24 Zmierzona krzywa I=f(V) D. Wyznaczanie charakterystyki I=f(V) diody germanowej (II) z u yciem oscyloskopu (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok a. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-1-25 i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-1-26. Do czy do uk adu potencjometr VR2 u ywaj c do tego celu przewodów. (3) Do wyprowadzenia wej ciowego (IN) doprowadzi z generatora funkcyjnego znajduj cego si w module KL-22001 sygna sinusoidalny o napi ciu mi dzyszczytowym 20 V i cz stotliwo ci 1 khz. 22

(4) Do czy wyprowadzenia wej kana ów oscyloskopu CH2(Y), GND i CH1(X) odpowiednio do wyprowadze TP1, TP2 i TP3. W tym przypadku wej cie kana u CH1(X) jest u ywane do pomiaru i wy wietlenia napi cia diody, a wej cie kana u CH2(Y) do pomiaru i wy wietlenia pr du diody. (5) Ustawi oscyloskop na prac X-Y oraz wybra typ sygna u do prowadzanego do jego wej cia DC (sygna sta y). Ogl da wykres na oscyloskopie i zanotowa go na rysunku 1-1-27. (6) Kr c c potencjometrem VR2 (10 k ) obserwowa zmiany krzywej wy wietlonej na ekranie oscyloskopu. Rys. 1-1-25 Schemat uk adu pomiarowego Rys. 1-1-26 Schemat monta owy (modu KL-25001 blok a) 23

Rys. 1-1-27 Zmierzona krzywa V=f(I) PODSUMOWANIE Zale nie od u ytego materia u diody mo na podzieli na krzemowe i germanowe. Korzystaj c z wyników wiczenia mo na uzyska napi cia odci cia dla diody krzemowej i germanowej. W wiczeniu tym celowo opuszczono temat pomiaru napi cia przebicia, gdy zbytnie napi cie wsteczne mog oby zniszczy diod. Pomiar pr du I R przeprowadzono w zakresie danych technicznych. Wynosi on kilka µa. Po wyst pieniu zjawiska przebicia pr d wsteczny p yn cy przez diod zale y ju tylko od napi cia przy o onego z zewn trz i od rezystancji wewn trz uk adu i wynosi kilka amperów lub wi cej. 24

wiczenie 1-2 W asno ci diody Zenera PRZEDMIOT WICZENIA 1. Zapoznanie si z w asno ciami diody Zenera. 2. Pomiar parametrów diody Zenera. DYSKUSJA Diod Zenera (ZD) nazywa si te diod stabilizuj c. Symbol diody Zenera stosowany na schematach uk adów elektronicznych przedstawiono na rys. 1-2-1, a jej charakterystyk na rys. 1-2-2. (a) wygl d diody Zenera (b) symbol diody Zenera Rys. 1-2-1 Dioda Zenera Rys. 1-2-2 Charakterystyka I=f(V) diody Zenera Gdy napi cie polaryzuj ce diod Zenera w kierunku zaporowym osi gnie warto Uz (napi cia Zenera), to pr d p yn cy przez t diod w kierunku zaporowym gwa townie ro nie, (aby ograniczy warto tego pr du, nale y wtedy w czy szeregowo z diod rezystancj ). Jednocze nie napi cie na diodzie pozostaje sta e. Dioda taka, nazywana powszechnie diod Zenera, jest szeroko stosowana w uk adach stabilizatorów, wykorzystuj c t w asno diody (sta ego napi cia na niej). Warto ci Vz mo na sterowa zmieniaj c w procesie produkcyjnym koncentracj wprowadzanej domieszki. Je li 25

koncentracja domieszki ro nie, to powoduje to zmniejszenie si warto ci Vz. W ten sposób otrzymuje si diody Zenera o ró nych napi ciach Vz pokrywaj cych zakres od 3 V do kilkuset V i o mocach z zakresu od 200 mw do 100 W. Z rysunku 1-2-2 mo na wysnu wniosek, e w zakresie przewodzenia dioda Zenera ma takie same w a ciwo ci jak zwyk a dioda. Jednak w zakresie zaporowym, gdy napi cie wsteczne osi gnie napi cie przebicia (Vbr lub Vz) pr d wsteczny diody wzrasta gwa townie. Pr d ten jest oznaczany symbolem I Z. Gdy pr d Iz jest mniejszy od Izmin, to dioda Zenera pracuj ca w zakresie kwadraturowym nie mo e by stosowana jako dioda stabilizacyjna. Poniewa, gdy pr d Iz stanie si wi kszy od Izmaks to dioda ulegnie przepaleniu, nale y szeregowo z diod Zenera w czy rezystor o takiej warto ci, aby pr d Iz mie ci si mi dzy Izmin a Izmax. Pozwoli to uzyska potrzebne napi cie stabilizacyjne. Podstawowy uk ad pracy diody Zenera przedstawiono na rys. 1-2-3 Rys. 1-2-3 Podstawowy uk ad pracy diody Zenera Parametry diody Zenera: Vz: Napi cie Zenera (napi cie stabilizacji). Pzmaks: Maksymalna moc pobierana przez diod Zenera. Izmin: Minimalny pr d Zenera, przy którym funkcja stabilizacyjna diody jeszcze istnieje. Izmaks: Maksymalny pr d Zenera, który dioda mo e wytrzyma. Warto ci powy szych parametrów dowolnej diody Zenera mo na znale w danych technicznych publikowanych przez producentów. Je li s znane warto ci mocy Pzmaks i napi cia Uz, to mo na z nich obliczy warto maksymaln pr du Zenera Izmaks. Pzmaks = Uz x Izmaks Izmaks Pzmaks/Vz 26

NIEZB DNY SPRZ T LABORATORYJNY 1. KL-22001 podstawowy modu edukacyjny z laboratorium uk adów elektrycznych 2. KL-25001 modu diody, diody obcinaj cej i diody poziomuj cej PROCEDURA C. Wyznaczanie charakterystyki I=f(V) diody Zenera (I) z u yciem woltomierza i amperomierza (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok a. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-2-4 i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-2-5(a) (po czenie w kierunku przewodzenia). Do czy do uk adu potencjometr VR2 u ywaj c do tego celu przewodów. Przy o y do modu u KL-25001 napi cie sta e +12 V z zasilacza o napi ciu wyj ciowym ustawionym na sta e znajduj cego si w module 22001. (3) Potencjometrem VR2 (10 k ) regulowa napi cie przy o one mi dzy dwa wyprowadzenia diody Zenera w zakresie od 0,1 V do 0,7 V z odst pem 0,1 V. Zmierzy i zapisa w tablicy 1-2-1 kolejne warto ci pr du przewodzenia I F. (4) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-1-4 i schematem monta owym z rysunku 1-1-5(b) (po czenie w kierunku zaporowym). Do- czy woltomierz i amperomierz. (5) Kr c c potencjometrem VR2 (10 k ) regulowa napi cie wsteczne V R doprowadzane do wyprowadze diody w zakresie od 0 V do 5 V z odst pem 1 V. Zmierzy i zanotowa kolejne warto ci pr du I R (bez przebicia) w tablicy 1-1-6. (6) Wykre li na rys. 1-2-6 krzyw I=f(V) diody Zenera u ywaj c do tego warto ci z tablic 1-2-1 i 1-2-2. 27

Rys. 1-2-5 Schemat monta owy (modu KL-25001 blok a) V F (V) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 I F (V) Tablica 1-2-1 28

V R (V) 1 2 3 4 I R (µa) Tablica 1-2-2 Rys. 1-1-6 Zmierzona krzywa I=f(V) B. Wyznaczanie charakterystyki I=f(V) diody Zenera (II) z u yciem oscyloskopu (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok a. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-2-7 i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-2-8. Do czy do uk adu potencjometr VR2 u ywaj c do tego celu przewodów. (3) Do wyprowadzenia wej ciowego (IN) doprowadzi z generatora funkcyjnego znajduj cego si w module KL-22001 sygna sinusoidalny o napi ciu mi dzyszczytowym 20 V i cz stotliwo ci 1 khz. (4) Do czy wyprowadzenia wej kana ów oscyloskopu CH2(Y), GND i CH1(X) odpowiednio do wyprowadze TP1, TP2 i TP3. W tym przypadku wej cie kana u CH1(X) jest u ywane do pomiaru i wy wietlenia napi cia diody, a wej cie kana u CH2(Y) do pomiaru i wy wietlenia pr du diody. 29

(5) Ustawi oscyloskop na prac X-Y oraz wybra typ sygna u do prowadzanego do jego wej cia DC (sygna sta y). Ogl da wykres na oscyloskopie i zanotowa go na rysunku 1-2-9. (6) Kr c c potencjometrem VR2 (10 k ) obserwowa zmiany krzywej wy wietlonej na ekranie oscyloskopu. Rys. 1-2-7 Uk ad pomiarowy diody Zenera Rys. 1-2-8 Schemat monta owy (modu KL-25001 blok a) Rys. 1-2-9 Zmierzona krzywa I=f(V) 30

PODSUMOWANIE Charakterystyka diody Zenera w kierunku przewodzenia jest podobna do charakterystyki diody ogólnego zastosowania, podczas, gdy w zakresie zaporowym charakterystyki tych diod ró ni si, co wynika z tego, e dioda Zenera pracuje w zakresie Zenera. Z otrzymanych wyników pomiarów wynika, e gdy napi cie wsteczne przyk adane do diody Zenera przekroczy warto Zenera (warto stabilizacji), to napi cie na obu wyprowadzeniach diody Zenera b dzie pozostawa sta e. Jednak, gdy przyk adane napi cie wsteczne wzro nie jeszcze bardziej, to wzro nie w zwi zku z tym te i pr d Iz. Gdy pr d ten przekroczy warto Izmaks, to dioda Zenera ulegnie uszkodzeniu. 31

wiczenie 1-3 W asno ci diody LED PRZEDMIOT WICZENIA 1. Zapoznanie si z w asno ciami diody LED. 2. Pomiar parametrów diody LED. DYSKUSJA Dioda emituj ca wiat o (LED) jest rodzajem diody ze z czem p-n wykonanym z fosforoarsenku galu lub fosforku galu. Gdy przy spolaryzowaniu diody LED w kierunku przewodzenia elektrony i dziury rekombinuj, to energia przenoszona przez wolne elektrony zamienia si w energi wietln, której spektrum cz stotliwo ci mie ci si w zakresie widzialnym. Je li jako materia u u yje si krzemu lub germanu, to energia ta (wolnych elektronów) jest przekszta cana na energi ciepln, zatem wiat o widzialne wtedy nie powstanie. Napi cie pracy diody LED mie ci si zwykle w zakresie 1,7 V do 3,3 V, pobór mocy wynosi od 10 do 50 mw, a czas pracy ( ycia) jest wi kszy od 100000 godzin. Zale nie od materia u wybranego do ich budowy, diody LED wytwarzaj wiat o o barwie czerwonej, bia ej, ó tej, zielonej itd. Dioda LED za wieca si, gdy do jej wyprowadze przy o y si napi cie w kierunku przewodzenia wynosz ce minimum 1,5 V. Im pr d wi kszy, tym jasno wiecenia diody wi ksza. Jednak, gdy pr d p yn cy przez diod przekroczy 10 ma, to wzrost intensywno ci wiecenia b dzie ju nieznaczny. Je li do wyprowadze diody LED przy o y si napi cie wi ksze od 1,5 V, to dioda ta przepali si. Poniewa napi cie przebicia diody LED jest bardzo ma e, to napi cie wsteczne nie powinno przekracza 3 V. 32

NIEZB DNY SPRZ T LABORATORYJNY 1. KL-22001 podstawowy modu edukacyjny z laboratorium uk adów elektrycznych 2. KL-25001 modu diody, diody obcinaj cej i diody poziomuj cej PROCEDURA A. Sprawdzenie zale no ci mi dzy jaskrawo ci wiecenia diody a pr dem I F (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok e. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-3-1 i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-3-2. Do czy do uk adu potencjometr VR2 u ywaj c do tego celu przewodów. Przy o y do modu u KL-25001 napi cie sta e +12 V z zasilacza o napi ciu wyj ciowym ustawionym na sta e znajduj cego si w module 22001. (3) Potencjometr VR2 (10 k ) ustawi na maksimum. Zapisa w tablicy 1-3-1 warto napi cia V F wskazywanego przez woltomierz oraz jaskrawo wiecenia diody LED. (4) Ustawi potencjometr VR2 (10 k ) na minimum i powtórzy krok 3. (5) Ustawi potencjometr VR2 (10 k ) tak, aby warto pr du I F wynios a 10 ma. Zapisa w tablicy 1-3-1 warto ci wskazywane przez woltomierz i jaskrawo ci wiecenia diody LED. Potencjometru VR2 ustawiony na Maksimum Minimum Na warto I F (ma) 10 Jaskrawo V F (V) Tablica 1-3-1 33

Rys. 1-3-1 Uk ad pomiarowy diody LED Rys. 1-3-2 Schemat monta owy (modu KL-25001 blok e) B. Pomiar pr du I F diod LED (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok e. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-3-3 i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-3-4. Przy o y do modu u KL- 25001 napi cie sta e +12 V z zasilacza o napi ciu wyj ciowym ustawionym na sta- e znajduj cego si w module 22001. (3) Do czy amperomierz i obserwowa na nim wskazania pr du I F p yn cego przez czerwon diod LED CR5 (typ diody LED o du ej wydajno ci), nast pnie zapisa warto ci tego pr du w tablicy 1-3-2. 34

(4) Wy czy zasilacz. Wykona stosowne po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-3-3 i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-3-5. (Zmieni po czenia w czaj c w uk ad diod CR6 czerwon diod LED ogólnego zastosowania). W czy zasilacz. (5) Do czy amperomierz i obserwowa na nim wskazania pr du I F p yn cego przez czerwon diod LED CR6 (diod ogólnego zastosowania), nast pnie zapisa warto ci tego pr du w tablicy 1-3-2. (6) Wy czy zasilacz. Wykona stosowne po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-3-3 i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-3-6. (Zmieni po czenia w czaj c w uk ad diod CR7 zielon diod LED). W czy zasilacz. (7) Do czy amperomierz i obserwowa na nim wskazania pr du I F p yn cego przez zielon diod LED CR7 (diod ogólnego zastosowania), nast pnie zapisa warto- ci tego pr du w tablicy 1-3-2. Rys. 1-3-3 Uk ad pomiarowy pr du I F diody LED Rys. 1-3-4 Schemat monta owy uk adu do testowania diody CR5 (KL-25001 blok e) 35

Rys. 1-3-5 Schemat monta owy uk adu do testowania diody CR6 (KL-25001 blok e) Rys. 1-3-6 Schemat monta owy uk adu do testowania diody CR7 (KL-25001 blok e) Dioda LED I F (ma) Dioda CR5 o du ej wydajno ci Tablica 1-3-2 Czerwona dioda CR5 Zielona dioda CR7 36

PODSUMOWANIE Wyniki wiczenia, którego zadaniem by o sprawdzenie zale no ci mi dzy jaskrawo- ci wiecenia diody LED a przy o onym do niej napi ciem (pr dem) przedstawiono w tablicy 1-3-1. Zwykle, je li pr d p yn cy przez diod LED osi gnie 10 ma, to jej jaskrawo wiecenia staje si wyra nie widoczna. Ka dy pr d wi kszy od tej warto ci spowoduje tylko skrócenie czasu ycia pracy diody LED, lecz nie spowoduje znacznego wzrostu jej jaskrawo ci. Dodatkowym wnioskiem, który mo na wysun z analizy wyników wiczenia jest, e pr dy przewodzenia ró nych typów diod LED s prawie takie same. 37

wiczenie 1-4 W asno ci fotodiody PRZEDMIOT WICZENIA 1. Zapoznanie si z w asno ciami fotodiody. 2. Pomiar parametrów fotodiody. DYSKUSJA Fotodioda jest rodzajem z czowego elementu pó przewodnikowego o obszarze pracy ograniczonym do zakresu polaryzacji w kierunku zaporowym. Na rysunku 1-4-2 przedstawiono podstawow struktur fotodiody, metod polaryzacji oraz sposób oznaczania. Rys. 1-4-1 Polaryzowanie fotodiody i jej symbole Pr d wsteczny fotodiody jest wprost proporcjonalny nat enia wiat a na ni padaj cego, jak to przedstawiono na rysunku 1-4-2. Rys. 1-4-2 Charakterystyka fotodiody 38

Pr d emiterowy fototranzystora podobny do pr du emiterowego tranzystora jest wprost proporcjonalny do nat enia wiat a na niego padaj cego. Fotodiody lub fototranzystory wspó pracuj ce ze ród ami wiat a wykorzystuj wiat o widzialne, promieniowanie podczerwone oraz wi zki promieniowania laserowego. NIEZB DNY SPRZ T LABORATORYJNY 1. KL-22001 podstawowy modu edukacyjny z laboratorium uk adów elektrycznych 2. KL-25001 modu diody, diody obcinaj cej i diody poziomuj cej PROCEDURA (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok e. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-4-3(a) i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-4-3(b). Przy o y do modu u KL-25001 napi cie sta e +12 V z zasilacza o napi ciu wyj ciowym ustawionym na sta e znajduj cego si w module 22001. (3) Do czy amperomierz i obserwowa na nim wskazania pr du I R w nast puj cych warunkach: (1) wiat o padaj ce na fotodiod jest przez ni odbierane, (2) wiat o padaj ce na fotodiod jest przys aniane. Nast pnie zapisa warto ci pr dów I R odpowiadaj ce o wietleniu najsilniejszemu i najs abszemu. (4) Obliczy warto ci rezystancji R D korzystaj c z równania: i warto ci I R obliczonych w kroku 3 niniejszej procedury. Fotodioda Dioda mocno o wietlona I R = R D = Dioda s abo o wietlona I R = R D = (5) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego 1-4-4(a) i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 1-4-4(b). 39

(6) Do czy amperomierz i obserwowa na nim wskazania pr du I R w nast puj cych warunkach: (1) wiat o padaj ce na fototranzystor jest przez niego odbierane, (2) wiat o padaj ce na fototranzystor jest przys aniane. Nast pnie zapisa warto ci pr dów I E odpowiadaj ce o wietleniu najsilniejszemu i najs abszemu. Fototranzystor Mocno o wietlony I E = S abo o wietlony I E = (a) Uk ad pomiarowy (b) Schemat monta owy (modu KL-25001 blok e) Rys. 1-4-3 Uk ady do pomiaru pr du fotodiody (a) Uk ad pomiarowy (b) Schemat monta owy (modu KL-25001 blok e) Rys. 1-4-4 Uk ady do pomiaru pr du fototranzystora 40

PODSUMOWANIE Charakterystyka przewodzenia fotodiody jest podobna do typowej diody, a jej charakterystyka zaporowa przy braku o wietlenia jest równie podobna do typowej diody. Gdy fotodiod o wietli si, to pr d zaporowy (wsteczny) fotodiody b dzie proporcjonalny nat enia o wietlenia. W asno ta ró ni fotodiod od typowej diody. W praktyce do sterowania obci eniem zastosowanie bezpo redniego przekszta cenia wiat a na pr d nie jest mo liwe. Fotodioda mo e sterowa obci eniem dopiero, je li jej pr d zostanie wzmocniony przez tranzystor lub uk ad scalony. 41

Notatki 42

Rozdzia 3 Uk ady diodowe obcinania i poziomowania wiczenie 3-1 Uk ady obcinania PRZEDMIOT WICZENIA 1. Poznanie zasady dzia ania uk adów obcinania diodowego. 2. Zrozumienie zmiany przebiegu dokonanej w uk adzie obcinania diodowego, po przy o- eniu napi cia polaryzacji wst pnej. DYSKUSJA Zadaniem uk adu obcinaj cego (ang. clipping circuit) jest obci cie pewnej cz ci sygna u wej ciowego i u ycie sygna u obci tego jako sygna u wyj ciowego. Jak przedstawiono na rys. 3-1-1, gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, to odpowiada to stanowi zwarcia styków prze cznika, gdy natomiast jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, to odpowiada to stanowi rozwarcia styków prze cznika. Rys. 3-1-1 Dioda w stanie w czenia i wy czenia Na rys. 3-1-2(b) przedstawiono przebieg napi cia wej ciowego Ei w uk adzie zilustrowanym na rys. 3-1-2(a). W pó okresie dodatnim (Ei>0) dioda stanowi zwarcie uk adu. Jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-2-1(c). Powoduje to, e napi cie wyj ciowe Eo = Ei. W pó okresie ujemnym (Ei<0) dioda stanowi rozwarcie. Jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-2(d). Powoduje to, e napi cie wyj ciowe Eo = 0. Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przedstawiono na rys. 3-1-2(b). 43

Rys. 3-1-2 Uk ad obcinania z diod szeregow Na rys. 3-1-3(b) przedstawiono przebieg napi cia wej ciowego Ei w uk adzie zilustrowanym na rys. 3-1-3(a). W pó okresie dodatnim (Ei>0), dioda spolaryzowana wstecznie (zaporowo) nie przewodzi, stanowi wtedy rozwarcie uk adu, (uk ad zast pczy diody jest przedstawiony na rys. 3-1-3(c)), co powoduje, e napi cie wyj- ciowe Eo = 0. W trakcie pó okresu ujemnego (Ei<0) dioda ta przewodzi b d c spolaryzowan w kierunku przewodzenia, (uk ad zast pczy diody jest przedstawiony na rys. 3-1-3(b)), co powoduje, e Eo = Ei z ujemnego pó okresu. Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przestawiono na rys. 3-1-3(b). Rys. 3-1-3 Uk ad obcinania z diod szeregow 44

Uk ad obcinaj cy z diod szeregow i polaryzacj wst pn Je li trzeba obci napi cie wej ciowe po osi gni ciu przez nie pewnego ustalonego poziomu, to uzyskuje si to, dodaj c sk adow sta (d.c.). Polaryzacja, wielko i miejsce do czenia tego dodatkowego sygna u w uk adzie b dzie okre la zakres obcinania przebiegu wej ciowego. Rys. 3-1-4 Uk ad obcinania z diod szeregow z polaryzacj wst pn w kierunku zaporowym Napi cie wej ciowe Ei przedstawione na rys. 3-1-4(b) dotyczy uk adu zilustrowanego na rys. 3-1-4(a). Gdy Ei>E, dioda przewodzi b d c spolaryzowan w kierunku przewodzenia, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-4(c)), co powoduje, e Eo=Ei. Gdy natomiast Ei<E, to dioda ta nie przewodzi (jest w stanie oci cia), b d c spolaryzowan w kierunku zaporowym, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-4(d)), co powoduje, e Eo=E. Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przedstawiono na rys. 3-1-4(b). Rys. 3-1-5 Uk ad obcinania z diod szeregow z polaryzacj wst pn w kierunku zaporowym 45

Napi cie wej ciowe Ei przedstawione na rys. 3-1-5(b) dotyczy uk adu zilustrowanego na rys. 3-1-5(a). Gdy Ei>E (E jest napi ciem ujemnym), to dioda przewodzi b d c spolaryzowan w kierunku przewodzenia, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-5(c)), co powoduje, e Eo=Ei-E. Gdy natomiast Ei<E, to dioda nie przewodzi, gdy jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-5(d)), co powoduje, e Eo=0. Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przedstawiono na rys. 3-1-5(b). Rys. 3-1-6 Uk ad obcinania z diod szeregow z polaryzacj wst pn w kierunku przewodzenia Napi cie wej ciowe Ei przedstawione na rys. 3-1-6(b) dotyczy uk adu zilustrowanego na rys. 3-1-6(a). Gdy (Ei+E)>0 (E jest napi ciem ujemnym), to dioda przewodzi, gdy jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-6(c)), co powoduje, e Eo=Ei. Gdy natomiast (Ei+E)<0, to dioda ta nie przewodzi, b d c spolaryzowan w kierunku zaporowym, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-6(d)), co powoduje, e Eo=0. Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przedstawiono na rys. 3-1-6(b). Napi cie wej ciowe Ei przedstawione na rys. 3-1-7(b) dotyczy uk adu zilustrowanego na rys. 3-1-7(a). Gdy (Ei+E)>0 (E jest napi ciem dodatnim), to dioda przewodzi, gdy jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-17(c),) co powoduje, e Eo=Ei+E. Gdy natomiast (Ei+E)<0 (E jest napi ciem dodatnim), to dioda ta nie przewodzi, gdy jest spolaryzowana w kierunku zaporowym, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-7(d)), co powoduje, e Eo=0. Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przedstawiono na rys. 3-1-7(b). 46

Rys. 3-1-7 Uk ad obcinania z diod szeregow z polaryzacj wst pn w kierunku przewodzenia Uk ad obcinaj cy z diod równoleg Uk ad obcinaj cy z diod równoleg spe nia te same funkcje jak uk ad z obcinaj cy z diod szeregow. Mo e by u ywany jako uk ad detekcji w pó okresie dodatnim i ujemnym sygna u. Rys. 3-1-8 Uk ad obcinania z diod równoleg 47

Na rys. 3-1-8(b) przedstawiono przebieg napi cia wej ciowego Ei w uk adzie zilustrowanym na rys. 3-1-8(a). Gdy Ei>0, dioda D przewodzi, b d c spolaryzowan w kierunku przewodzenia, (jej uk ad zast pczy jest przedstawiony na rys. 3-1-8(c)), co powoduje, e napi cie wyj ciowe Eo = 0. Gdy Ei<0, to dioda ta jest zatkana, b d c spolaryzowan w kierunku zaporowym, (jej uk ad zast pczy jest przedstawiony na rys. 3-1-8(d)), co powoduje, e napi cie wyj ciowe Eo = Ei (R L >>Rs). Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przedstawiono na rys. 3-1-8(b). Rys. 3-1-9 Zasada dzia ania uk adu obcinaj cego z diod równoleg Na rys. 3-1-9(b) przedstawiono przebieg napi cia wej ciowego Ei w uk adzie zilustrowanym na rys. 3-1-9(a). Gdy Ei>0, to dioda D, b d c spolaryzowan w kierunku przewodzenia przewodzi, (uk ad zast pczy diody przedstawiono na rys. 3-1-9 (c)), co powoduje, e napi cie wyj ciowe Eo = Ei (R L >>Rs). Gdy Ei<0 dioda D jest zatkana b d c spolaryzowan w kierunku zaporowym, (uk ad zast pczy diody przedstawiono na rys. 3-1-9(d)), co powoduje, e Eo = 0. Przebieg napi cia wyj ciowego napi cia wyj ciowego Eo przestawiono na rys. 3-1-9(b). Na rys. 3-1-10(b) przedstawiono przebieg napi cia wej ciowego Ei w uk adzie zilustrowanym na rys. 3-1-10(a). Gdy Ei>(Vz+0,6 V), (uk ad zast pczy diody jest przedstawiony na rys. 3-1-10(c)), to powoduje to, e: Eo = Vz + 0,6 V. Gdy z kolei (Vz+0,6 V)<Ei<(Vz+0,6 V), (uk ad zast pczy diody jest przedstawiony na rys. 3-1-10(d)), to powoduje to, e Eo = Ei. Gdy natomiast Ei<(Uz+0,6 V), (uk ad zast pczy diody jest przedstawiony na rys. 2.10(e)), to powoduje to, e Eo = -(Vz+0,6 V). Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przestawiono na rys. 3-1-10(b). 48

Rys. 3-1-10 Uk ad obcinaj cy z diod Zenera Uk ad obcinania z diod równoleg i polaryzacj wst pn Na rys. 3-1-11(b) przedstawiono przebieg napi cia wej ciowego Ei w uk adzie zilustrowanym na rys. 3-1-11(a). Gdy Ei>E, to dioda D przewodzi, b d c spolaryzowan w kierunku przewodzenia, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-11(c)), co powoduje, e napi cie wyj ciowe Eo = Ei. Gdy z kolei Ei<E, to dioda ta b dzie zatkana, b d c spolaryzowan w kierunku zaporowym, (jej uk ad zast pczy przedstawiono na rys. 3-1-11(d)), co powoduje, e napi cie wyj ciowe Eo = Ei (R L >>Rs). Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przedstawiono na rys. 3-1-11 (b). 49

Rys. 3-1-11 Uk ad obcinania z diod równoleg z polaryzacj wst pn kierunku zaporowym Na rys. 3-1-12(b) przedstawiono przebieg napi cia wej ciowego Ei w uk adzie zilustrowanym na rys. 3-1-12(a). Gdy Ei>E (E jest napi ciem ujemnym), to dioda D b d c spolaryzowan w kierunku zaporowym jest zatkana, (uk ad zast pczy diody jest przedstawiony na rys. 3-1-12(c)), co powoduje, e napi cie wyj ciowe Eo = Ei (R L >>Rs). Gdy Ei<E, to dioda D przewodzi b d c spolaryzowan w kierunku przewodzenia, (uk ad zast pczy diody jest przedstawiony na rys. 3-1-12(d)), co powoduje, e Eo = E. Przebieg napi cia wyj ciowego Eo przestawiono na rys. 3-1-12(b). Rys. 3-1-12 Uk ad obcinania z diod równoleg z polaryzacj wst pn kierunku zaporowym 50

NIEZB DNY SPRZ T LABORATORYJNY 1. KL-22001 podstawowy modu edukacyjny z laboratorium uk adów elektrycznych 2. KL-25001 modu uk adu diody, diody obcinaj cej i poziomuj cej 3. Oscyloskop 4. Multimetr PROCEDURA A. Układ obcinania z diodą szeregową (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok b. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego z tablicy 3-1- 1(a) i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 3-1-13(a). (3) Do wyprowadzenia wej ciowego TP2 doprowadzi napi cie 10 Vp-p, sinusoidalne, o cz stotliwo ci 1 khz z generatora funkcyjnego znajduj cego si w module KL- 22001. (4) Pos uguj c si oscyloskopem zmierzy i zapisa w tablicy 3-1-1(a) napi cie wej- ciowe na wyprowadzeniu TP2 i napi cie wyj ciowe na wyprowadzeniu OUT. (5) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego z tablicy 3-1- 1(b) i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 3-1-13(b). (6) Do wyprowadzenia wej ciowego TP1 doprowadzi napi cie 10 Vp-p, sinusoidalne, o cz stotliwo ci 1 khz z generatora funkcyjnego znajduj cego si w module KL- 22001. (7) Pos uguj c si oscyloskopem zmierzy i zapisa w tablicy 3-1-1(b) napi cie wej- ciowe na wyprowadzeniu TP1 i napi cie wyj ciowe na wyprowadzeniu OUT. 51

(a) Rys. 3-1-13 Schemat monta owy (modu KL-25002 blok b) (b) Tablica 3-1-1 B. Uk ad obcinania z diod szeregow i polaryzacj wst pn (1) Ustawi modu KL-25001 na module KL-22001 (modu edukacyjny laboratorium z podstawowych uk adów elektrycznych), poczym zlokalizowa blok b. (2) Wykona po czenia pos uguj c si rysunkiem uk adu pomiarowego z tablicy 3-1- 2(a) i schematem monta owym przedstawionym na rysunku 3-1-14(a). Doprowadzi do uk adu napi cie sta e -5 V z zasilacza o napi ciu ustawionym na sta e znajduj cym si w module KL-22001. 52