Bogdan Olech Mirosław Łazoryszczak Dorota Majorkowska-Mech Elektronika Laboratorium nr 3 Temat: Diody półprzewodnikowe i elementy reaktancyjne
SPIS TREŚCI Spis treści... 2 1. Cel ćwiczenia... 3 2. Wymagania... 3 3. Przebieg ćwiczenia... 3 4. Podsumowanie... 8 5. Literatura... 8
1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest: 1. Wyznaczenie charakterystyki diody elektroluminescencyjnej 2. Wyznaczenie charakterystyki diody prostowniczej 3. Wyznaczenie przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem na kondensatorze a natężeniem prądu płynącego przez kondensator w obwodzie prądu przemiennego 2. WYMAGANIA Do wykonania niniejszego ćwiczenia niezbędne jest zapoznanie się z następującymi zagadnieniami: 1. Dioda półprzewodnikowa: budowa, zasada działania złącza półprzewodnikowego typu pn, rodzaje diod, parametry, zastosowanie 2. Kondensator: budowa, zasada działania, parametry, zastosowanie w obwodach elektronicznych 3. Generator funkcyjny: przeznaczenie, parametry, podstawy obsługi 4. Oscyloskop: zasada działania, podstawy obsługi 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA Zadanie nr 1 Wyznaczanie charakterystyki diody elektroluminescencyjnej Wykorzystując regulowane źródła napięcia stałego (SUPPLY+), diodę LED oraz rezystor (1 kω,) zbuduj układ według schematu przedstawionego na rys. 1. Następnie wykonaj pomiary potrzebne do wykreślenia charakterystyki prądowo-napięciowej diody LED w kierunku przewodzenia (dłuższe wyprowadzenie diody połączyć przez rezystor z biegunem dodatnim źródła napięcia). Napięcie zasilania należy regulować w zakresie 0 12 V. 1. Zbuduj układ jak na rys. 1. Jako amperomierz wykorzystaj multimetr wirtualny z platformy NI ELVIS II, zaś jako woltomierz zewnętrzny multimetr cyfrowy. Rys. 1. Schemat układu do badania charakterystyki diody LED Strona 3 z 8
2..Wykonaj 10 pomiarów napięcia na diodzie U D i natężenia prądu elektrycznego I płynącego przez diodę. Wyniki wpisz do tabeli 1. Tab. 1. Wyniki pomiarów dla diody LED L.p. U D [V] I [ma] R D =U D /I[kΩ] r D = U D / I[kΩ] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 3. Zaobserwuj dla jakiego napięcia na diodzie zaczyna ona świecić. 4. (Zadanie domowe) Oblicz rezystancję statyczną z wyników każdego pomiaru, oraz rezystancję dynamiczną z wyników każdych dwóch kolejnych pomiarów. Czy wartości tych parametrów są stałe? 5. (Zadanie domowe) Wykonaj wykres zależności natężenia prądu płynącego przez diodę LED od napięcia elektrycznego I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju charakterystyki prądowo-napięciowej diody LED. Zadanie nr 2 Wyznaczanie charakterystyki diody prostowniczej Wykorzystując regulowane źródła napięcia stałego (SUPPLY+), diodę prostowniczą 1N4001 oraz rezystor (1 kω) zbuduj układ według schematu przedstawionego na rys. 2. Następnie wykonaj pomiary potrzebne do wykreślenia charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej w kierunku przewodzenia. Napięcie zasilania należy regulować w zakresie 0 12 V. Rys. 2. Schemat układu do badania charakterystyki diody prostowniczej w kierunku przewodzenia 1. Wykonaj 10 pomiarów napięcia na diodzie UD i natężenia prądu elektrycznego I płynącego przez diodę. Wyniki wpisz do poniższej tabeli 2. 2. (Zadanie domowe) Oblicz rezystancję statyczną z wyników każdego pomiaru, oraz rezystancję dynamiczną z wyników każdych dwóch kolejnych pomiarów. Czy wartości tych parametrów są stałe? 3. (Zadanie domowe) Wykonaj wykres zależności natężenia prądu płynącego przez diodę prostowniczą od napięcia elektrycznego I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej w kierunku przewodzenia. Strona 4 z 8
Tab. 2. Wyniki pomiarów dla diody prostowniczej 1N4001 w kierunku przewodzenia L.p. U D [V] I [ma] R D =U D /I[kΩ] r D = U D / I[kΩ] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. W zbudowanym układzie elektrycznym zmień ustawienie diody, tak jak to zostało przedstawione na rys. 3. Następnie wykonaj pomiary potrzebne do wykreślenia charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej w kierunku zaporowym. Napięcie zasilania należy regulować w zakresie 0 12 V. Rys. 3. Schemat układu do badania charakterystyki diody prostowniczej w kierunku zaporowym 4. Wykonaj 10 pomiarów napięcia na diodzie U D i natężenia prądu elektrycznego I płynącego przez diodę. Wyniki wpisz do poniższej tabeli 3. Tab. 3. Wyniki pomiarów dla diody prostowniczej 1N4001 w kierunku zaporowym L.p. U D [V] I [ma] R D =U D /I[kΩ] r D = U D / I[kΩ] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 5. (Zadanie domowe) Oblicz rezystancję statyczną z wyników każdego pomiaru, oraz rezystancję dynamiczną z wyników każdych dwóch kolejnych pomiarów. Czy wartości tych parametrów są stałe? Strona 5 z 8
6. (Zadanie domowe) Wykonaj wykres zależności natężenia prądu płynącego przez diodę prostowniczą od napięcia elektrycznego I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej w kierunku zaporowym. Zadanie nr 3 Obserwacja działania diody prostowniczej w obwodzie prądu przemiennego Wykorzystując generator sygnałów FGEN z platformy NI ELVIS II, diodę prostowniczą 1N4001 oraz rezystor (1 kω) zbuduj obwód prądu przemiennego według schematu na rys. 4. i R = 1 k u R u D u Rys. 4. Układ prądu przemiennego z szeregowym połączeniem rezystora i diody 1. Na pulpicie obsługi generatora FGEN wybierz sygnał sinusoidalny i ustaw jego parametry parametry: napięcie międzyszczytowe Vp-p generowanego sygnału na 5 V i częstotliwość f na 50 Hz. 2. Podłącz oscyloskop do zacisków rezystora i diody wykorzystując analogowe wejścia różnicowe. Zaciski rezystora podłącz do wejść oznaczonych symbolami odpowiednio AI0+ i AI0-, natomiast zaciski diody podłącz do wejść oznaczonych symbolami AI1+ i AI1-3. Na pulpicie instrumentu wirtualnego (oscyloskop) ustaw bieżące źródła sygnału dla kanału 0 (Channel 0) na AI0, zaś dla kanału 1 (Channel 1) na AI1 oraz włącz oba kanały (opcje Enabled ) 4. Zaobserwuj i naszkicuj (lub wykonaj zdjęcie) przebiegi napięcia na diodzie i rezystorze. Ponieważ napięcie na rezystorze jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu płynącego w obwodzie, zatem przebieg napięcia na rezystorze można traktować jako przebieg natężenia prądu płynącego przez obwód (z dokładnością do stałej multiplikatywnej). 5. (Zadanie domowe). Podaj wnioski wynikające z obserwacji przebiegów napięcia na diodzie i natężenia prądu płynącego w obwodzie. Zadanie nr 4 Badanie kondensatora w obwodzie prądu przemiennego Wykorzystując generator sygnałów FGEN z platformy NI ELVIS II, dostarczone przez prowadzącego kondensator oraz rezystor zbuduj obwód prądu przemiennego według schematu na rys. 5. Strona 6 z 8
i R C u u R u C Rys. 5. Układ prądu przemiennego z szeregowym połączeniem rezystora i kondensatora 1. Odczytaj wartości nominalne rezystancji rezystora R i pojemności kondensatora C. 2. Na pulpicie obsługi generatora FGEN wybierz sygnał sinusoidalny i ustaw jego parametry parametry: napięcie międzyszczytowe Vp-p generowanego sygnału na 5 V i częstotliwość f na 1 khz 3. Podłącz oscyloskop do zacisków rezystora i kondensatora wykorzystując analogowe wejścia różnicowe. Zaciski rezystora podłącz do wejść oznaczonych symbolami odpowiednio AI0+ i AI0-, natomiast zaciski kondensatora podłącz do wejść oznaczonych symbolami AI1+ i AI1-4. Na pulpicie instrumentu wirtualnego (oscyloskop) ustaw bieżące źródła sygnału dla kanału 0 (Channel 0) na AI0, zaś dla kanału 1 (Channel 1) na AI1 oraz włącz oba kanały (opcje Enabled ) 5. Zaobserwuj i naszkicuj (lub wykonaj zdjęcie) przebiegi napięcia na kondensatorze i rezystorze. Ponieważ napięcie na rezystorze jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu płynącego w obwodzie, zatem przebieg napięcia na rezystorze można traktować jako przebieg natężenia prądu płynącego przez obwód (z dokładnością do stałej multiplikatywnej). 6. Dla trzech różnych częstotliwości generowanego sygnału napięciowego zmierz, używając kursorów na ekranie oscyloskopu, przesunięcie czasowe t pomiędzy napięciem na kondensatorze u C, a natężeniem i prądu płynącego w obwodzie (napięciem na rezystorze). Zmierz także okres T sygnału napięciowego na rezystorze (lub kondensatorze). Wyniki wpisz do tabeli 4. Tab. 4. Przesunięcie pomiędzy napięciem i natężeniem prądu na kondensatorze L.p. f [Hz] t [ µs] T [µs] ϕ [ ] 1. 2. 3. 7. (Zadanie domowe). Dla każdej częstotliwości oblicz przesunięcie fazowe ϕ pomiędzy prądem płynącym przez kondensator a napięciem na kondensatorze korzystając z zależności ϕ t =. o 360 T Czy przesunięcie fazowe ϕ zależy od częstotliwości f sygnału z generatora? Czy na kondensatorze prąd wyprzedza napięcie, czy napięcie wyprzedza prąd? Strona 7 z 8
8. (Zadanie domowe) Odpowiednikiem rezystancji dla kondensatora w obwodach prądu przemiennego jest reaktancja pojemnościowa oznaczana symbolem X C. Jakim wzorem jest ona opisana? Czy reaktancja pojemnościowa? 9. (Zadanie domowe) Opór stawiany prądowi przemiennemu przez układ szeregowo połączonych rezystora i kondensatora określa parametr nazywany impedancją (zawadą), dany wzorem 2 2 X C Z = R +. Czy wartość tego parametru zależy od częstotliwości, a jeśli tak, to rośnie on ze wzrostem częstotliwości czy maleje? 4. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonego ćwiczenia, a także ćwiczeń poprzednich student powinien nabyć bądź utrwalić następujące umiejętności: posługiwanie się stałymi i regulowanymi źródłami napięcia w zakresie sposobów połączenia i nastawy parametrów obsługa generatora funkcyjnego w podstawowym zakresie obsługa oscyloskopu w podstawowym zakresie zasada działania i parametry kondensatora, w szczególności jego właściwości w obwodach prądu zmiennego (reaktancja pojemnościowa, przesunięcie fazowe między prądem i napięciem) zasada działania i parametry diody półprzewodnikowej (nieliniowa zależność natężenia prądu i napięcia, rezystancja statyczna oraz dynamiczna) 5. LITERATURA [1] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki cz. 1, wydanie 9, WKiŁ, Warszawa 2009 [2] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume VI Experiments. http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electriccircuits/exper/index.html (dostęp październik 2010) [3] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume I DC, http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electriccircuits/dc/index.html (dostęp październik 2010) [4] Kybett H., Boysen E.: Elektronika dla każdego. Przewodnik, Helion, Gliwice, 2012 [5] Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa, 2006 [6] Rydzewski J.: Pomiary oscyloskopowe, WNT, wyd. 3, Warszawa 2007 Strona 8 z 8