Halbleiterbauelemente

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1 Mathias Arbeiter 20. April 2006 Betreuer: Herr Bojarski Halbleiterbauelemente Statische und dynamische Eigenschaften von Dioden Untersuchung von Gleichrichterschaltungen

2 Inhaltsverzeichnis 1 Schaltverhalten einer Diode Durchführung Messwerte konstanter Durchflussstrom konstanter Sperrstrom Gleichrichterschaltung Teil ohne Kondensator mit Kondensator Messung des Stromflusswinkels Spannungen an den Bauelementen Gleichrichterschaltung Teil 2 8

3 1 Schaltverhalten einer Diode 1.1 Durchführung Schaltung gemäß Abb. 1 aufbauen Die Masse kommt vor der Diode und nicht vor dem Widerstand das Eingangssignal wird über Widerstand UND Diode abgefasst das Ausgangssignal wird nur über die Diode abgegriffen am Frequenzgenerator gibt es einen Offset-Knopf, der herausgezogen werden kann durch Regelung kann die Nulllinie der Rechteckspannung verschoben werden dadurch kann die Spannung erhöht werden, die Durchlassrichtung z.b. aber konstant gehalten werden (auf Kosten der Sperrrichtung natürlich) 1.2 Messwerte Abbildung 1: Schaltung mit integrierter Diode Die Frequent wurde konstant bei 85 Hz gehalten. Damit ist die Periodendauer wesentlich größer als die typische Sperrverzugszeit einer Diode. In Abb. 2 wurde die Eingangsspannung U e und die Diodenspannung (unten) aufgetragen. Zu beachten sind die Nulllinien rechts am Diagrammrand. Die Eingangsspannung stellt eine gewöhnliche Rechteckspannung dar. Die Durchlassspannung und die Sperrspannung sind in Abb. 2 eingezeichnet. Abbildung 2: oben: Eingangsspannung U e unten: Diodenspannung

4 Die Sperrverzögerungszeit in Abbildung 2 ist der Abstand auf der Zeitachse, zwischen dem Punkt, an dem die Eingangsspannung ihr Vorzeichen wechselt und dem Punkt an dem die Durchlassspannung an der Diode auch null wird. Die Sperrverzögerungszeit ist nämlich gerade die Zeit, die die Diode benötigt, um von Durchlassrichtung auf Sperrrichtung umzuschalten. Da der Strom der Spannung proportional ist, genügt es die Sperrverzögerungszeit in Abhängigkeit der Durchlassspannung und der Sperrspannung anzugeben konstanter Durchflussstrom Um einen konstanten Durchflussstrom zu erhalten, muss nun die Durchflussspannung konstant gehalten werden. Die Spannung am Frequenzgenerator wird dabei erhöht, jedoch wird mithilfe der Off-Set-Funktion am Generator die Durchlassspannung so gesteuert dass sie konstant bleibt. Konstant gehaltene Diodenspannung in Durchflussrichtung U edurch = 2.81V Dieser Durchlassstrom wurde nun konstant gehalten. U esperr t in µs Abbildung 3: Abhängigkeit der Sperrverzögerungszeit bei konstanter Durchflussspannung In Abb. 3 ist zu sehen, dass die Sperrverzögerungszeit mit größer werdender Sperrspannung abnimmt. Der Verlauf ist nicht linear, sondern könnte am besten exponentiell approximiert werden.

5 1.2.2 konstanter Sperrstrom Mithilfe der Off-Set-Funktion und dem Amplitudenregler wird auch hier die Eingangsspannung variiert, jedoch die Sperrspannung nun konstant gehalten. Die Sperrspannung ist in Abb. 2 die Spannungsdifferenz in der obigen Kurve zwischen dem maximalen Wert der Eingangsspannung und der Nulllinie. Konstant gehaltene Sperrflussspannung: U esperr = 5.16V U ed urch t in µs Abbildung 4: Abhängigkeit der Sperrverzögerungszeit bei konstanter Sperrspannung In Abb. 4 ist zu sehen, dass die Sperrverzögerungszeit mit zunehmender Durchlassspannung bei konstanter Sperrspannung zunimmt. Auch hier ist ein linearer Zusammenhang nicht zu erkennen. Mit größerer werdender Durchlassspannung braucht die Diode länger um eine Sperrschicht im pn-übergang zu erzeugen. 2 Gleichrichterschaltung Teil 1 Es wurde nun eine Gleichrichterschaltung gemäß Abb. 5 aufgebaut. Dabei wurde der Kondensator einmal weggelassen und ein andermal wurde ein Kondensator mit C = 10µF eingefügt.

6 Abbildung 5: Schaltbild einer Gleichrichterschaltung 2.1 ohne Kondensator Der Stromflusswinkel von jeder der zwei Dioden ist zu ermitteln. Die Zeit in der ein Strom durch die Gleichrichterschaltung fließt, resultiert aus den Strömen beider Dioden. Da der Stromflusswinkel von nur EINER Diode ermitteln werden soll, darf nur der Stromflusswinkel einer Halbperiode vermessen werden. Abbildung 6: oben: Eingangsspannung unten: Ausgangsspannung In Abb. 6 ist deutlich zu erkennen, dass die Eingangsspannung die Nulllinie nicht nur in einem Punkt berührt, sondern für einen kurzen Zeitraum konstant null ist. Dies lässt erwarten, dass der Stromflusswinkel keine 180 aufweist, sondern geringfügig kleiner ist.

7 Es ergibt sich ein vermessener Stromflusswinkel von: φ = mit Kondensator Um die Spannung über den Kondensator messen zu können, ist es erforderlich einen möglichst kleinen (ich verwendete R = 1Ω) Vorwiderstand vor dem Kondensator einzufügen, über dem die Spannung gemessen werden kann. Die Diodenspannung muss mithilfe des Oszilloskopen invertiert werden, da dem Strom gegenläufig gemessen wird Messung des Stromflusswinkels Um den Stromflusswinkel zu messen wurde die Diodenspannung und die Ausgangsspannung im Oszillographen angezeigt. Abbildung 7: oben: Diodenspannung unten: Ausgangsspannung Der Stromflusswinkel φ wurde in Abb. 7 vermessen und es ergab sich: φ = 86.83

8 2.2.2 Spannungen an den Bauelementen Abbildung 8: oben: Kondensatorspannung mitte: Diodenspannung unten: Ausgangsspannung Der Kondensator lädt und entlädt sich, wie in Abb. 8 ersichtlich, in jeder halben Periode der Ausgangsspannung. Der Kondensatorstrom wird dabei genutzt, um die Lücken in der Wechselspannung der Eingangsspannung zu schließen. Dadurch kommt es zu einem Glättungseffekt. Die Amplitude der Ausgangsspannung (Brummspannung) ist im Vergleich zur Amplitude in Abb. 6 wesentlich kleiner und damit besser geglättert. Durch die Diode fließt eine zeitlich ähnliche Spannung wie am Kondensator. 3 Gleichrichterschaltung Teil 2 Um verschiedene Schaltungen hinsichtlich ihrer Effizienz zum Gleichrichten untersuchen zu können, wird nun für vier verschiedene Schaltungen die Ausgangsspannungen am Oszilloskopen grafisch angezeigt. Dabei wird dreimal die Schaltung in Abb. 5 aufgebaut mit den drei unterschiedlichen Kondensatoren a)c 1 = 0µF b)c 2 = 10µF c)c 3 = 100µF

9 Zusätzlich wird die folgende vierte Schaltung aufgebaut: Abbildung 9: Gleichrichterschaltung mit zwei Kondensatoren Abb. 9 wird als Schaltung d) gekennzeichnet In Abb. 10 werden nun die vier Ausgangsspannungen gegenübergestellt. Abbildung 10: Ausgangspannung a) b) c) d) von oben nach unten In Abb. 10 ist deutlich zu erkennen, dass die Schaltung d) deutlich am effektivsten die Eingangsspannung glättet. Auch eine höhere Kapazität in Schaltung Abb. 5 sorgt für eine bessere Glättung. Es erweist sich als vorteilhaft in Schaltung Abb. 9 die beiden Kondensatoren vor und hinter dem Widerstände einzufügen. Das Einfügen beider Kondensatoren vor dem Widerstand hätte einen geringeren Glättungseffekt zur Folge, da insbesondere der Kondensator nach dem Widerstand einen großen Wechselstromanteil des Gesamtstromes aufnimmt.

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