LABORÜBUNG Diodenkennlinie

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1 LABORÜBUNG Diodenkennlinie Letzte Änderung: Lothar Kerbl Inhaltsverzeichnis Messaufgabe 1: Kennlinie im Durchlassbereich... 2 Theoretische Kennlinie... 3 Messaufgabe 2 : Kennlinie einer Zenerdiode... 5 Ergebnisse von SPICE Simulationen... 5 Lothar Kerbl Seite 1 von 6

2 Messaufgabe 1: Kennlinie im Durchlassbereich Protokolliere den Zusammenhang zwischen Diodenstrom und Diodenspannung für verschiedene Arten von Dioden in entsprechenden Messreihen. Die Strommessung kannst du auf eine Spannungsmessung an einem Vorwiderstand (Widerstandsdekade) zurückführen. Die Spannungsversorgung erfolgt durch ein Netzgerät mit einstellbarer Spannung. Die Spannungsmessung führst du mit einem Digitalvoltmeter durch. Einzustellende Werte Widerstandswerte am Vorwiderstand (3 Werte pro Dekade) Gemessene Werte Versorgungsspannung Spannung an der Diode Spannung am Vorwiderstand Berechnete Werte Diodenstrom Innenwiderstand Überwachte Werte In der Diode umgesetzte Leistung Grafische Darstellung Strom in Abhängigkeit von der Diodenspannung (lineare Skalierung des Stromes gemessen und durch SPICE simuliert) Strom in Abhängigkeit von der Diodenspannung (logarithmische Skalierung des Stromes gemessen und durch SPICE simuliert) Simulationsergebnisse des Temperaturverhaltens Bild 1. Schaltung zur Aufnahme der Diodenkennlinie, Zeichne Bezugspfeile für die gemessenen Spannungen und für die Ströme ein Lothar Kerbl Seite 2 von 6

3 Theoretische Kennlinie Diodenkennlinien im Durchlassbereich entsprechen einer Exponentialfunktion, d.h. der Strom ist von der anliegenden Flussspannung folgendermaßen abhängig: U k* T I = I 0 * e Diode k*t entspricht einer temperaturabhängigen Spannung (T.. absolute Temperatur in K, k.. Boltzmann Konstante ). I 0 ist ein konstanter Strom ( Sperrstrom ) Das Produkt k*t ist ca. 26 mv ( Temperaturspannung bei Raumtemperatur) Wenn du den Strom logarithmisch aufträgst, so wird die Kennlinie zu einer Geraden Aus der logarithmischen Darstellung kannst du den folgenden wichtigen Zusammenhang entnehmen: Der Diodenstrom verzehnfacht sich, wenn die Spannung um mv (je nach Typ der Diode) erhöht wird. Vergleiche diese Aussage mit deinen Messungen. Der differentielle Innenwiderstand einer Diode Die Angabe eines differentiellen Innenwiderstandes ist nur zusammen mit der Angabe eines Arbeitspunktes sinnvoll: r i : = U, Kathode I Der Innenwiderstand entspricht der Steigung der Kennlinie. Da sich bei der Exponentialfunktion die Steigung der Kennlinie mit Änderung des Arbeitspunktes ändert, verändert sich auch der Innenwiderstand. Je größer der Diodenstrom ist, desto steiler ist die Steigung der Kennlinie I (U,Kathode ) (das entspricht einer Verringerung des Eingangswiderstandes) Theoretisch ergibt sich für eine Diode mit 60mV/Dekade im Durchlassbereich folgender Wert für den Innenwiderstand: (bei einer Diode mit...120mv/dekade entsprechend größer!) r i = U I T 26mV I (U T = 26mV bei Zimmertemperatur) Es gilt: Lothar Kerbl Seite 3 von 6

4 Der differentielle Innenwiderstand einer Diode im Durchlassbereich ist umgekehrt proportional zum Diodenstrom. Den Innenwiderstand für einen Messpunkt kannst du in einer geordneten Tabelle aus den jeweils benachbarten Messpunkten errechnen. Du musst dein Messprotokoll um drei Spalten erweitern ( I, U,Kathode, r i (gemessen)) Diodenstrom Diodenspannung I U,Kathode Ι U,Kathode r i r i (theoretisch) [ma] [mv] [ma] [mv] [Ohm] [Ohm] 0, ,0 0, , ,5 52,0 1, , ,0 26,0 2, ,3 13,0 5, ,2 Bild 2. Berechnung des Innenwiderstandes. Der theoretische Wert für den Innenwiderstand ist als Vergleichswert in der letzten Spalte angegeben (26mV/I ) Fragen: Welche Formeln stehen in den Spalten für I U,Kathode und r i (gemessen)? Warum ist in der ersten und letzten Zeile kein Wert eingetragen? Welche Formeln stehen in der Spalte für r i (theoretisch) (letzte Spalte)? Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie Halbleiter werden mit Erhöhung der Temperatur besser leitfähig. Für eine Diode im Durchlassbereich gelten folgende Zusammenhänge: Bei konstanter Spannung U,Kathode vergrößert sich der Strom bei einer Temperaturerhöhung um 30 K um das Zehnfache ( Eine Dekade/30K ) oder Um den Diodenstrom I konstant zu halten, ist bei einer Temperaturerhöhung von 1 K eine Verringerung der Flussspannung um 2mV notwendig ( -2mV/K ) Wenn du eine Diodenschaltung mit SPICE simulierst, wird diese Temperaturabhängigkeit berücksichtigt. Lothar Kerbl Seite 4 von 6

5 Messaufgabe 2 : Kennlinie einer Zenerdiode Zenerdioden werden in Sperrrichtung betrieben. Führe eine Messreihe an einer Zenerdiode durch (Durchführung und Auswertung wie Messaufgabe 1) Hinweis: Der Temperatureinfluss auf eine Zenerdiode wird in diesem Zusammenhang nicht behandelt. Ergebnisse von SPICE Simulationen Bild 3. Diodenkennlinie 1N4148 (Kleinsignaldiode - Simulation mit SPICE) (logarithmische Darstellung) Lothar Kerbl Seite 5 von 6

6 Bild 4. Diodenkennlinie 1N4001 (Leistungsdiode Simulation mit SPICE) (lineare und logarithmische Darstellung) Lothar Kerbl Seite 6 von 6