Instytut Fizyki ul Wielkopolska 5 70-45 Szczecin 2 Pracownia Elektroniki Badanie diody półprzewodnikowej Zakres materiału obowiązujący do ćwiczenia: (Oprac dr Radosław Gąsowski) półprzewodniki samoistne i domieszkowe, pasma energetyczne; zjawiska zachodzące w złączu p-n; zasada działania diody; typowe parametry diody; typy diod stosowanych w elektronice; graficzne metody wyznaczania statycznych i dynamicznych parametrów elementów elektronicznych; prostownik dwupołówkowy, rola filtru pojemnościowego
Przebieg ćwiczenia Badanie charakterystyki diody w kierunku przewodzenia Połączyć układ według schematu na rys (przełącznik P 2 zwarty): UWAGA: Sprawdzić, czy przyrządy pomiarowe włączone są prawidłowo, biorąc pod uwagę kierunek i zakres pomiarowy Przed włączeniem zasilania obwód musi być sprawdzony R A A A 2 G P P 2 K Zasilacz 25 Rys Zbadać zależność l=f(u) Wykonać co najmniej 5 pomiarów Wyniki pomiarów umieścić w tabeli Gęstość pomiarów uzależnić od kształtu charakterystyki diody UWAGA: U max, I max =0,5A Tabela pomiarowa: Typ i nr woltomierza: Klasa: Typ i nr amperomierza: Klasa: Lp U[] Zakres[] I[mA] Zakres[mA] 2 3 4 5 2
2 Badanie prostownika jedno- i dwupołówkowego a) Połączyć obwód według schematu na rys2 Miernik uniwersalny ustawić w położeniu na napięcie zmienne, przełącznik AC/DC przy wejściu A oscyloskopu w położeniu DC Włączyć oscyloskop, następnie zasilacz i tak zwiększać napięcie wyjściowe zasilacza, aby otrzymany na oscyloskopie obraz przebiegu napięcia przemiennego zajmował w miarę maksymalną wysokość ekranu UWAGA: W trakcie wykonywania ćwiczenia nie należy zmieniać wartości napięcia zasilania Wykonać pomiary otrzymanego przebiegu sinusoidalnego: napięcie skuteczne U sk - miernikiem uniwersalnym; napięcie szczytowe U m i okres T - oscyloskopem Przerysować obraz przebiegu napięcia uwzględniając skalę ekranu odchylania pionowego (/dz) oraz czasu (czas/dz) Zasilacz 25 0 25 Rys2 b) Połączyć obwód według schematu na rys3 (przełączniki P i P 2 zwarte) Przełączyć miernik uniwersalny na napięcie stałe Zmierzyć miernikiem wartość składowej stałej (U Rśr ) oraz oscyloskopem napięcie szczytowe (U Rm ) na obciążeniu prostownika (rezystor R o ) Przerysować obraz przebiegu uwzględniając parametry wymienione w punkcie a) 3
Zasilacz 25 0 25 A A 2 G P P 2 K a zwora b c d R o a 2 b 2 c 2 d 2 Rys3 c) Odłączyć jedną z diod (P - zwarty, P 2 - rozwarty) Zaobserwować obraz przebiegu przy prostowaniu jednopołówkowym Zmierzyć wartość składowej stałej U Rśr oraz napięcie szczytowe U Rm Przerysować obraz przebiegu To samo wykonać dla drugiej diody (P - rozwarty, P 2 - zwarty) UWAGA: Przed włączaniem poszczególnych elementów do obwodu (podpunkty d oraz e) zasilacz pozostawić włączony, przełączniki P i P 2 rozwarte d) Pomiędzy gniazda a i a 2 włączyć kondensator elektrolityczny C (rys4) UWAGA: Kondensator włączyć zgodnie z oznaczona polaryzacją Zasilacz 25 0 25 A A 2 G P P 2 K a zwora b c d C R o a 2 b 2 c 2 d 2 Rys4 Zmierzyć wartość składowej stałej U Rśr Wykonać pomiary napięcia wyjściowego oscyloskopem i przerysować otrzymany oscylogram 4
Następnie powtórzyć pomiary oscyloskopem odłączając składową stałą od wejścia oscyloskopu (przełącznik AC/DC w położeniu AC) i zwiększając czułość wejściową oscyloskopu Zmierzyć wartość amplitudy tętnień napięcia wyjściowego U Rt e) Między gniazda a i b włączyć rezystor R s zamiast zwory, a między gniazda b i b 2 kondensator elektrolityczny C 2 (rys5) Przerysować otrzymany na oscyloskopie przebieg oraz wykonać pomiary miernikiem i oscyloskopem jak w podpunkcie d) Zasilacz 25 0 25 A A 2 G P P 2 K a R s b c d C C 2 R o a 2 b 2 c 2 d 2 Rys5 Wyniki otrzymane w podpunktach a - e należy zestawić w tabeli pomiarowej: C = 0µF, C 2 = 22µF, R S = 330Ω Typ i nr woltomierza: Klasa: Podpunkt a) b) c) dioda 2 dioda d) e) Typ oscyloskopu: R o = U sk lub U Rśr U m, lub U Rm lub U Rt T U[] Zakres [] Y[dz] Y[dz] Wspod [/dz] 5 X[dz] X[dz] Wspczasu [czas/dz]
Opracowanie wyników Badanie charakterystyki diody w kierunku przewodzenia Obliczyć wartości niepewności pomiarowych U i l Wyniki pomiarów wraz z wartościami niepewności pomiarowych umieścić w tabeli oraz sporządzić wykres charakterystyki statycznej diody l=f(u) Tabela wyników: Typ i nr woltomierza: Klasa: Typ i nr amperomierza: Klasa: Lp U[] U[] I[mA] I[mA] 2 3 4 5 Dla dwóch wybranych punktów (A i B) charakterystyki, powyżej napięcia progowego, obliczyć opór statyczny R s oraz dynamiczny r d Opór dynamiczny wyznaczyć metodą graficzną zgodnie z zależnością: r d U U B A ; I B I A Wyznaczyć niepewności oporów statycznego R s i dynamicznego r d Zaznaczyć na charakterystyce punkty A i B dla których wyznaczono wartości oporów Tabela wyników: Punkt U punktu [] U [] I punktu [ma] I [ma] R s [Ω] R s [Ω] r d [Ω] r d [Ω] A B 6
2 Badanie prostownika jedno- i dwupołówkowego Wyniki pomiarów wraz z obliczonymi wartościami niepewności pomiarowych umieścić w tabeli Tabela wyników: C = 0µF, C 2 = 22µF, R S = 330Ω Typ i nr woltomierza: Klasa: Podpunkt a) b) c) dioda 2 dioda d) e) Typ oscyloskopu: R o = U sk lub U Rśr U m, lub U Rm lub U Rt Okres przebiegu U [] U [] U [] U [] T[s] T[s] Korzystając z danych uzyskanych w punkcie 2d) obliczyć wartość współczynnika tętnień k t i niepewność k t Do obliczeń wykorzystać wzór definicyjny: k tp U = ; U R śr Wartość skuteczną składowej zmiennej napięcia wyjściowego U wyznaczyć z zależności: U Rt U = ; 2 3 Dla porównania obliczyć również współczynnik tętnień korzystając z teoretycznego wzoru: k tt = ; 4 3 f C R o gdzie: f = - częstotliwość napięcia wejściowego T 7
Na papierze milimetrowym sporządzić wykresy otrzymanych przebiegów napięcia dla wszystkich podpunktów a) - e) Zaznaczyć i podać na oscylogramach zmierzone wartości maksymalne (U m lub U Rm lub U Rt ) oraz odpowiednio wartość napięcia skutecznego U sk lub wartość składowej stałej U Rśr Przykładowe obliczenia Dla każdego punktu ćwiczenia podać po przykładzie obliczenia wyznaczanej wielkości oraz niepewności pomiarowej, wg schematu: wzór końcowy = podstawione zmierzone wielkości wraz z jednostkami = wynik końcowy Dyskusja i wnioski Przeprowadzić analizę otrzymanych wyników i niepewności pomiarowych Zestaw przyrządów i wyposażenia Oscyloskop OKS-52A; 2 Zasilacz prądu stałego i zmiennego; 3 Multimetr 640 2szt 4 Dioda krystaliczna 2szt 5 Kondensator elektrolityczny 0µF i 22µF; 6 Rezystor R s =330Ω ; 7 Rezystor obciążenia R o : 4,5kΩ, 6,8kΩ, 8,2kΩ, 9,5kΩ, 3,2kΩ, 4,3kΩ, 5,8kΩ; 8 Opornik laboratoryjny OL /400; 9 Przewody 5szt 2 koncentryczne 8
Literatura Śledziewski R, Elektronika dla fizyków, PWN, Warszawa 982; 2 Książkiewicz A, Elementy i podzespoły elektroniczne, WNT, Warszawa 987; 3 Rusek M, Pasierbiński J, Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 99; 4 Januszewski S, Świątek H, Diody i tyrystory w pytaniach i odpowiedziach; 5 Seely S, Układy elektroniczne, WNT, Warszawa 975; 6 Wawrzyński W, Podstawy współczesnej elektroniki, OWPW, Warszawa 2003 9