Fachbereich IEM-Elektrotechnik. Prof. Dr.-Ing. B.K. Glück, Dipl.-Ing.(FH) M. Sader, Dipl.-Ing.(TU) V. Schurig. Versuchsanleitung zum Laborpraktikum

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1 FACHHOCHSCHULE LAUSITZ UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Fachbereich IEM-Elektrotechnik Prof. Dr.-Ing. B.K. Glück, Dipl.-Ing.(FH) M. Sader, Dipl.-Ing.(TU) V. Schurig Versuchsanleitung zum Laborpraktikum Elektronische Bauelemente und Grundschaltungen Versuch EB01 Dioden und Gleichrichterschaltungen Stand:03/2004 C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 -

2 Versuch EB01: Dioden und Gleichrichterschaltungen 1. Zielstellung Die in der Vorlesung und der Literatur erarbeiteten Kenntnisse zur Funktion von Dioden sollen vertieft werden, sowie experimentelle Grundlagen zur Anwendung kommen. Dies betrifft besonders im ersten Versuchsteil das Verhalten und die Wirkungsweise von Si-, Geund Z-Dioden. Im zweiten Versuchsteil soll Kompetenz zu ausgewählten Diodenschaltungen erlangt werden. 2. Grundlagen zum Versuch 2.1. Theorie Zur Durchführung und zum Verständnis des Versuchs sind einerseits die elementaren physikalischen Zusammenhänge des pn-übergangs und andererseits das daraus resultierende elektrische Verhalten der Diode als Bauelement von Bedeutung. Aufbauend auf den Vorlesungsstoff [1] wird dazu das Studium weiterer Literatur vorausgesetzt [4-11]. Von Interesse sollen dabei weiter die elektrischen Eigenschaften der verschiedenen Diodentypen, die Schaltungsanwendungen und Meßschaltungen sein Versuchsvorbereitung Erläutern Sie in Stichworten die Funktion einer einfachen Si-Diode Erläutern Sie in Stichworten die Funktion der Z-Diode Geben Sie eine Meßschaltung für die Aufnahme der I(U)-Kennlinie a) mit Multimeter und b) mit Oszilloskop an. Welche Meßfehler sind zu erwarten? Erläutern Sie, wie Sie die während der Übung zu bestimmenden verschiedenartigen Spannungen (U L, U AV, U S, Uss) zweckmäßig messen können. Hinweis: Vorgegebenes Deckblatt für den Versuch ist vorbereitet zur Versuchsdurchführung mitzubringen. 3. Versuchsplatz, Geräte und Material: y Grundgerät mit Modul Dioden und Modul Gleichrichterschaltungen y Kabelsatz für Betriebsspannungen und Beschaltung y 8 Brückenstecker y Vielfachmeßgeräte (1 x M3860M + Anleitung, 3 x VC 404) y Elektronenstrahl-Oszilloskop (ESO), Typ OS-5020G mit BNC- Kabel + Anleitung y Netzteil Gleichspannung, Funktionsgenerator / Experimentiertisch 4. Modul Si-, Ge- und Z-Diode 4.1. Versuchsaufbau: Schaltung, Geräte und Material Die Versuchsschaltung zur Kennlinienmessung an Dioden ist auf einem Leiterkarten-Modul Dioden [2] angeordnet und in zwei Teile gegliedert. Der obere Teil der Leiterkarte enthält je eine Si-, Ge- und Z-Diode mit Begrenzungs- und Meßwiderstand. Die Schaltung lässt die Kennlinienaufnahme mittels Oszilloskopen und / oder Vielfachmeßinstrumenten zu (Abb. 1). C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 - Seite 1

3 Der untere Teil der Platine enthält je eine Begrenzerschaltung (Abb. 2) mit Si- bzw. Z-Dioden. Die Betriebsspannung ist über das externe Netzteil zuzuführen. Am Parallelbegrenzer mit Z-Dioden können die beiden Z-Dioden auch einzeln zur Spannungsbegrenzung benutzt werden. Abb.1: Grundschaltung zu Versuch EB 01 [2] Abb. 2: Begrenzerschaltungen 1 und 2 C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 - Seite 2

4 4.2. Versuchsdurchführung Beachten Sie bei der Versuchsdurchführung die in 4.3. formulierten Forderungen zur Auswertung Nehmen Sie an den zwei Dioden V1 und V2 (Tabelle 1) die I F (U F )-Kennlinien und an der Diode V3 die I R (U R )-Kennlinie in Schritten von U edc = 0,1; 0,2;... 0,9; 1; 2; V mittels Vielfachmesser auf. Achten Sie darauf, dass die Dioden nicht kurz geschlossen werden! Die Ströme I F bzw. I R sollten 20mA nicht überschreiten. Hinweis: Kennlinienaufnahme ist mit 3 gleichen Vielfachmessern durchzuführen, Meßbereiche sind so wählen, dass möglichst wenig umgeschaltet werden muss (warum?). U e : MP1 - MP4; U F : (MP5... MP7)- MP3; I F : MP2 - (MP5... MP7) (anstelle der Brücken) Nehmen Sie die Kennnlinen der Dioden mit dem Oszilloskop bei U e = 12V / 50 Hz unter Nutzung des Stelltransformators auf und übertragen Sie die Kennlinien in das vorgegebene Raster. Hinweis: Kennlinienaufnahme mit ESO U e : MP1 - MP4; x = U F : MP2 - MP4; y = U2 = I F x R2 Messung von U2 an MP3 - MP4. Erklären Sie die ggf. entstehende Hysterese. Je nach verwendeten Typ des Oszilloskopes können sich folgende Kanalbezeichnungen entsprechen: A = 1: B = 2. y Raster 1: Darstellung V 1 : Einstellung ESO: a X : X via Y; a YA : 1 V/Div.; a YB : 0,1 V/Div.; U F = 1 V/cm; I F = 10 ma/cm; Kopplung: DC; U (TO) =? V. y Raster 2: Darstellung V2: Einstellung ESO: a X : X via Y; a YA : 1 V/Div.; a YB : 0,1 V/Div.; U F = 1 V/cm; I F = 10 ma/cm; Kopplung: DC; U (TO) =? V. y Raster 3: Darstellung V3: Einstellung ESO: a X : X via Y; a YA : 1 V/Div.; a YB : 0,1 V/Div.; U R = 1 V/cm; I R = 10 ma/cm; Kopplung: DC; U (TO) =? V;U z =? Legen Sie an die Begrenzerschaltung 1 (Einweggleichrichterschaltung) eine Eingangsspannung U e = 20 V SS, f = 50 Hz mit dem Funktionsgenerator an und nehmen Sie die Ein- und Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop auf Hinweis: U e : MP1 - MP3; U a : MP2 - MP3 y Raster: Darstellung U e und U a Einstellung ESO: a X : 5 ms/div.; a YA = a YB : 5 V/Div.; Kopplung: DC Legen Sie an die Begrenzerschaltung 1 eine Eingangsspannung U e = 20 V SS, f = 1kHz mit dem Funktionsgenerator an und nehmen Sie die Ein- und Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop auf Hinweis: U e : MP1 - MP3; U a : MP2 - MP3. Erhöhen Sie die Frequenz der Eingangsspannung stufenweise um den Faktor 10 bis auf 1 MHz bzw. die Maximalfrequenz des Funktionsgenerators und verringern Sie die Ablenkzeit jeweils stufenweise um den Faktor 10. Nehmen Sie die Ergebnisse mit dem Oszilloskop auf und stellen Sie diese in einem Raster dar. Brücken Sie bei der höchsten Frequenz zum Vergleich die Diode. Wählen Sie die Einstellungen der Zeitachse des Oszilloskopes so, dass Sie etwa 2 Perioden darstellen können Legen an die Begrenzerschaltung 2 eine Eingangsspannung U e = 20 V SS, f = 1 khz mit dem Funktionsgenerator an und nehmen Sie die Ein- und Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop auf Hinweis: U e : MP1 - MP4; U a : MP2 - MP4; U 1 : MP3 - MP4 C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 - Seite 3

5 y Raster 1: Darstellung U e und U a Einstellung ESO: a X : 0,2 ms/div.; a YA = a YB : 5 V/Div.; Kopplung: DC. y Raster 2: Darstellung U e und U 1 Einstellung ESO: a X : 0,2 ms/div.; a YA = a YB : 5 V/Div.; Kopplung: DC Auswertung Zeichnen Sie die Kennlinien von Pkt (Si- und Ge-Diode im Durchlaßbereich und Z-Diode im Sperrbereich in ein gemeinsames Diagramm I F / U F = 1 ma / 0,2 V : 1 cm, I R / U R = 2 ma / 0,5 V : 1 cm) Stellen Sie die oszilloskopischen Aufnahme der Kennlinien von Pkt dar (I F / U F = 10 ma / 1 V : 1 cm) und vergleichen Sie Si- und Ge-Kennlinien; geben Sie Gründe für die Abweichungen an Zeichnen Sie die oszilloskopischen Aufnahmen von Pkt in ein gemeinsames Oszilloskop-Raster und erläutern Sie das Zustandekommen des Verlaufs der Ausgangsspannung Stellen Sie die Ergebnisse von in einem gemeinsamen Oszilloskop-Raster dar und diskutieren Sie diese. Wie groß ist die Sperrverzögerungszeit trr der untersuchten Diode? Zeichnen Sie die oszilloskopischen Aufnahmen von Pkt in ein gemeinsames Oszilloskop-Raster und beschreiben Sie die Funktion der Schaltung. 5. Modul Gleichrichterschaltungen 5.1. Versuchsaufbau: Schaltung, Geräte und Material Die Versuchsschaltung zu Gleichrichterschaltungen mit Dioden ist auf einem Leiterkarten- Modul [3] angeordnet und in zwei Teile gegliedert: y Einweggleichrichterschaltung y Brückengleichrichterschaltung Der obere Teil der Platine enthält den Brückengleichrichter (Abb. 4) einschließlich eines RC-Siebgliedes. Es lassen sich drei unterschiedliche Ladekapazitäten und drei Siebkapazitäten in Verbindung mit dem Siebwiderstand schalten. Es sind die gleichen Lastwiderstände wie für die Einweggleichrichterschaltung zu verwenden. Im Mittelteil der Platine ist die Einweggleichrichtung angeordnet (Abb. 3) und im unteren Teil der Platine befinden sich die Lastwiderstände. Es lassen sich drei verschiedene Ladekapazitäten schalten. C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 - Seite 4

6 Abb. 3: Einweggleichrichterschaltung im Versuch EB 01 [3] Abb. 4: Brückengleichrichterschaltung im Versuch EB 01 [3] C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 - Seite 5

7 5.2. Versuchsdurchführung Legen Sie eine Wechselspannung (12 V, 50Hz) mit dem Stelltrafo an den Eingang der Einweggleichrichterschaltung und ermitteln Sie die in Tabelle 2 geforderten Werte mit Vielfachmesser und Oszilloskop. Hinweis: Die Lastwiderstände sind über das Amperemeter zu schalten. Mit B1 und B2 werden die Ladekondensatoren C5 und C6 angeschaltet Oszilloskopieren Sie die Spannungsverläufe für y Raster 1E: Darstellung U e und U a ohne C L, mit R L = 330 Ohm Einstellung ESO: a X : 5 ms/div.; a Y : 5 V/Div.; Kopplung: DC. y Raster 2E: Darstellung U e und U a mit C L = 47 µf, mit R L = 330 Ohm Einstellung ESO: a X : 5 ms/div.; a Y : 5 V/Div.; Kopplung: DC; f Br =? Hz. y Raster 3E: Darstellung U e und U a mit C L = 100 µf, mit R L = 330 Ohm Einstellung ESO: a X : 5 ms/div.; a Y : 5 V/Div.; Kopplung: DC; f Br =? Hz. y Raster 4E: Darstellung U Brss mit C L = 47 µf, mit R L = 1,5 kohm Einstellung ESO: a X : 5 ms/div.; a Y : 1 V/Div.; Kopplung: AC. Hinweis: Kennlinienaufnahme mit Oszilloskop: U e : MP1 - MP3; U a : MP2 - MP3 Stellen Sie die Diagramme 1E bis 3E gemeinsam in einem Rastervordruck dar Legen Sie eine Wechselspannung (12 V, 50Hz) mit dem Stelltrafo an den Eingang der Brückengleichrichterschaltung und ermitteln Sie die in Tabelle 3 geforderten Werte mit Vielfachmesser und Oszilloskop (Kopplung DC). Hinweis: Die Lastwiderstände sind über das Amperemeter zu schalten. Achtung: y U e mit DVM und U 1, 2 mit ESO messen, sonst Kurzschlußgefahr! Oszilloskopieren Sie die Spannungsverläufe für y Raster 1B: Darstellung U Brss ohne C L, ohne Siebglied, mit R L = 150 Ohm Einstellung ESO: a X : 2 ms/div.; a Y : 5 V/Div.; Kopplung: DC; U Brss :? V; f Br =? Hz. y Raster 2B: Darstellung U Brss mit C L = 57 µf, mit Siebglied C S = 200 µf, mit R L = 150 Ohm Einstellung ESO: a X : 2 ms/div.; a Y : 5 V/Div.; Kopplung: DC; U Brss :? V; f Br =? Hz. Stellen Sie die Diagramme 1B bis 2B gemeinsam in einem Rastervordruck dar Auswertung Erläutern Sie die Ergebnisse aus Tabelle 2 und ESO-Raster 1E - 4E Erläutern Sie die Ergebnisse aus Tabelle 3 und ESO-Raster 1B - 2B Diskutieren Sie den Zusammenhang zwischen Brummspannung U Brss, Ladekondensator C L und Laststrom I F = I L aus Tabelle 2 und Diagrammen nach Pkt Diskutieren Sie den Zusammenhang zwischen Brummspannung U Brss, Siebkondensator C S und Laststrom I F = I L aus Tabelle 3 und Diagrammen nach Pkt Vergleichen Sie Einweg- und Brückengleichrichterschaltung hinsichtlich Höhe der Ausgangsgleichspannung und der Brummspannung bei gleicher Belastung Stellen Sie in getrennten Diagrammen für Einweggleichrichter- und Brückenschaltung die Ausgangsspannung Ua AV bzw. U 2AV und die Brummspannung U Brss als Funktion des Laststromes mit C L bzw. C S als Parameter dar. C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 - Seite 6

8 6. Arbeits- und Gesundheitsschutz Der Versuch findet im Labor Elektronische Bauelemente - ein Teilbereich des Reinraumes - statt. Es gilt die Reinraumordnung. Die Versuchsplätze und der Reinraum sind mit elektrischen Nottastern ausgestattet, welche den gesamten Raum vom Netz trennen. Evakuierungswege und Rettungsmittel sind vor Ort ausgewiesen und werden in der Allgemeinen Belehrung vor Beginn des Praktikums erklärt. 7. Literaturverzeichnis [1]* Glück, B.K.; Ch. Hahn: Elektronische Bauelemente und Grundschaltungen, Vorlesungsreihe FHL ET [2] Lucas-Nülle GmbH: Elektronik-Universaltainer, Versuchsanleitung Dioden, Modul SO A, [3] Lucas-Nülle GmbH: Elektronik-Universaltainer, Versuchsanleitung Dioden, Modul SO D, [4]* Möschwitzer A.: Halbleiterelektronik, Ein Wissensspeicher, VCH Verlag, Weinheim 1993, ISBN [5]* Paul, R.: Elektronische Halbleiterbauelemente, B. G. Teubner, Stuttgart 1992 ISBN [6]* Koß, G. & W. Reinhold: Lehr- und Übungsbuch Elektronik, Fachbuchverlag Leipzig im C.-Hanser-Verlag 1998, ISBN [7] Kories, R. & H. Schmidt-Walter: Taschenbuch der Elektrotechnik, Verlag Harri Deutsch, Frankfurt a.m. 1998, ISBN [8] Paul, R.: Halbleiterdioden, Verlag Technik Berlin [9]* Müseler, Schneider: Elektronik - Bauelemente und Schaltungen, Hanser Verlag, München 1989, ISBN [10]* Goerth, J.: Bauelemente und Grundschaltungen, Teubner Verlag 1999, ISBN [11]* Reisch, M.: Elektronische Bauelemente, Springer 1998, ISBN *) Literatur ist in der FHL-Bibliothek vorhanden 8. Anlagen y Deckblatt Versuchsprotokoll Elektronische Bauelemente und Grundschaltungen ; liegt aus y Betriebsbeschreibung der Oszilloskope; liegt aus y Tabelle 1-3 C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 - Seite 7

9 Versuchsprotokoll EB 01, Tabelle 1: Ue [V] 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 U F [V] V1 I F [ma] U F [V] V2 I F [ma] U R [V] V3 I R [ma] Bemerkungen: C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 - Seite 8

10 Versuchsprotokoll EB 01, Tabelle 2 (Ue = 12 V, 50 Hz) 150 R L [Ohm] Leerlauf Leerlauf, C L = 47 µf ohne C L ohne C L 330 ohne C L 1,5k C L = 47 µf 150 C L = 47 µf 330 C L = 47 µf 1,5k C L = 100 µf 150 C L = 100 µf 330 C L = 100 µf 1,5k C L = 147 µf 150 C L = 147 µf 330 C L = 147 µf 1,5k U aav [V] Multimeter U as [V] ESO U Brss [V] ESO I L [ma] Multimeter Versuchsprotokoll EB 01, Tabelle 3 (Ue = 12 V, 50 Hz, C L = 57 µf + Siebglied ) Cs = C L = 0 C S = 100µF C S = 200µF R L [Ohm] 1,5k Leerlauf ,5k Leerlauf ,5k U 1AV [V] Multim. U 1 s [V] ESO U 2AV [V] Multim. U 2 s [V] ESO U 2Brss [V] ESO I L [ma] C:\Eigene Dateien\Elektronikvers\ElektronikLabor\EB01_04 EB01 - Seite 9