Versuch 4: Dioden, dynamisches Verhalten
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- Elly Weber
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1 Seite 1 Versuch 4: Dioden, dynamisches Verhalten Themen zur Vorbereitung: * pn-übergang * Sperrschichtkapazität * Diffusionskapazität * Ausräumstrom * Speicherzeit * Bedienung des Oszilloskops der Serie HP 5450X * Schottky-Diode Geräte: Funktionsgenerator PHILIPS Pulse Generator PM 5785 Oszilloskop HP 54503A Spannungsquelle TOE 8031 Spannungsmeßgerät BBC MA 3E Fluke RCL-Meter PM6306 diverse Dioden, Kapazitätsdioden BB205, 50Ω-Abschlußwiderstand Beachten: Der Funktionsgenerator ist erdfrei entweder in die entsprechende Steckdose an der Steckerleiste oder an einen Trenntrafo anzuschließen Der Ausgang des Funktionsgenerators ist stets parallel zur Meßschaltung mit einem 50Ω- Widerstand abzuschließen. Versuche: 1. Bestimmung der Diffusionskapazität C D 1.1 * Vor Beginn der eigentlichen Messung ist ein Rechteck-Eingangssignal von 10 khz einzustellen, das einen Basisspannungswert von 0V und eine Amplitude von 2V aufweist. Die Vorgehensweise für die Grundeinstellungen des Funktionsgenerators finden Sie im Anhang A. 1.2 * Bauen Sie die in Abbildung 1 dargestellte Meßschaltung auf mit den in Aufgabe 1.1 vorgenommenen Grundeinstellungen des Funktionsgenerators. Stellen Sie Strom und Spannung an der Diode sowie die Eingangsspannung als Funktion der Zeit gemeinsam auf dem Oszilloskop dar. Die Vorgehensweise zur Einstellung des Oszilloskops ist in Anhang B ausführlich beschrieben.
2 Seite 2 Abbildung 1: Meßschaltung zur Messung der Diffusionskapazität a) Fertigen Sie eine Hardcopy des Oszillographenbildes an und interpretieren Sie stückweise die Signale U R und U D. b) Stellen Sie die Signale U R und U D jeweils einzeln dar und messen Sie mit Hilfe der Marker (s. Anhang C) folgende Größen nach den angegebenen Meßvorschriften: t r die Anstiegszeit des Stromes t r wird von 10% bis 90% der Amplitudenhöhe gemessen t rr die Rückwärtserholzeit t rr wird vom Nulldurchgang bis zu dem Zeitpunkt gemessen, wo der Ausräumstromstrom i rr auf 10% seines Maximalwertes abgefallen ist (s. Abbildung 5) ) i rr i F der Wert des Ausräumstromes ergibt sich aus dem Spannungsabfall über dem Widerstand R. Gemessen wird der Scheitelwert (s. Abbildung 5) der Diodenvorwärtsstrom ergibt sich ebenfalls aus dem Spannungsabfall über dem Widertsand R. 1.3 Berechnen Sie die Diffusionskapazität nach der Formel C D = τ / (R G + R) wenn τ. t rr gilt. R G = Generator-Innenwiderstand 1.4 * Die Basis des Rechteck-Eingangssignals wird konstant gehalten. Stellen Sie U G,max = 1 V, 1,2V, 1,5 V, 2V, 2,5 V und 3 V ein. Zu jedem Wert von U G,max ist i F zu messen und gemäß Aufgabe 1.3 die Diffusionskapazität C D zu ermitteln. Tragen Sie C D als Funktion von i F auf. 2. Dynamisches Verhalten anderer Diodentypen 2.1 * Wiederholen Sie die Messungen der Aufgaben für die Diodentypen BA 127 und
3 Seite 3 BAS-70. Stellen Sie den zeitlichen Verlauf von i F und U D nur für den Spannungspegel U G,max = 2 V einzeln am Oszilloskop dar und fertigen Sie eine Hardcopy an. Berechnen Sie wie in Aufgabe 1.3 die Diffusionskapazität C D. 2.2 Stellen Sie zum Vergleich die Ergebnisse der drei Diodentypen in einer Tabelle zusammen. 3. Sperrschichtkapazität C S C S wird an Kapazitätsdioden BB 205 gemessen. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit werden 4 Dioden parallel geschaltet. Dies ist bei der Auswertung von C S zu berücksichtigen. Die Messung wird mit dem RCL-Meter durchgeführt. (Bedienungsanleitung liegt am Arbeitsplatz). Die Messung erfolgt nach der 4-Punkt-Methode. Dazu wird das 4-polige geschirmte Messkabel verwendet. Die Anschlüsse mit der Beschriftung NORMAL/DRIVE und AUX/SENSE sind spannungsrichtig an die Dioden anzuschliessen. Beachten Sie hierbei, dass die Dioden in Sperrrichtung betrieben werden. Die Sperrspannung U R wird extern über das Spannungsnetzgerät TOE 8031eingespeist (Anschluss an das RCL-Meter erfolgt auf der Rückseite). Vor Beginn der Messungen wählen Sie folgende Voreinstellung des RCL-Meters: Messfrequenz: FREQ-Taste drücken, 10 khz einstellen, FRQ-Taste nochmal mind. 2 sec drücken, damit die Einstellung übernommen wird AC- Spannung: AC-Taste drücken, 0,05VAC einstellen (kleinst möglicher Wert!), AC-Taste nochmal mind. 2 sec drücken, damit die Einstellung übernommen wird EXT: Taste Anzeige im Display DC BIAS EXT Die externe Gleichspannung ist stets mit einem Voltmeter zu kontrollieren! 3.1 * Messen Sie die Sperrschichtkapazität C S für die Sperrspannungen 0,1V und 1V # U R # 10 V in 1 V-Schritten sowie für U R = 15 V, 20 und 25 V. 3.2 Tragen Sie den Betrag C S = f(u R ) doppellogarithmisch auf und ermitteln Sie das Kapazi tätsverhältnis C S (U R = 0,1V) : C S (U R = 25 V).
4 Seite 4 Anhang A: Einstellen der 10 khz Rechteckspannung mit einer Amplitide von 2V: OUTPUT A als Signalausgang wählen (50Ω-Abschlußwiderstand nicht vergessen!) und direkt an Kanal 1 des Oszilloskops anschließen Amplitudenregler auf linken Anschlag OFFSET-Regler auf Null (Mittelstellung) AMPLITUDE Taste 2,5V drücken Signalform Symbol wählen PULSE PERIOD 100μs einstellen Die genaue Frequenz kann mit dem PULSE PERIOD Regler und mit Hilfe des Oszilloskops (s. auch Anhang G: Frontansicht des Oszillokops mit Bezeichnung der Tastenfelder) wie folgt eingestellt werden: Um einen definierten Ausgangszustand zu erhalten, drücken Sie AUTOSCALE. Anschließend betätigen Sie die Tastenfolgen: blaue Taste, FREQ und 1. Die auf Kanal 1 (CH 1) anliegende Frequenz wird am unteren Rand des Bildschirmes angezeigt. Stellen Sie jetzt möglichst genau mit dem Regler eine Frequenz von 10 khz ein AMPLITUDE Regler: 2V Pulshöhe einstellen Die Pulshöhe läßt sich sehr einfach mit Hilfe des Oszillokopes wie folgt einstellen: Betätigen Sie die Tastenfolgen: blaue Taste, V p-p und 1. Die auf Kanal 1 (CH 1) anliegende Pulshöhe wird am unteren Rand des Bildschirmes angezeigt. Stellen Sie jetzt möglichst genau die richtige Pulshöhe ein. Richtige Einstellung des Oszilloskops: Zur Unterdrückung des Offsets betätigen Sie die Tastenfolgen: CHAN, Wahltaste Offset, 0 und ms/mv. Die Basis des Rechtecksignals sollte jetzt auf der Nullinie liegen. Wollen Sie wie in Aufgabe 1.3 gefordert andere Pulshöhen einstellen, wiederholen Sie oben beschriebene Prozedur. Zur genaueren Einstellung der Pulshöhe ist stets der Generatorausgang direkt mit dem Oszilloskop Kanal 1 zu verbinden.
5 Seite 5 Anhang B: Gleichzeitiges Darstellen von U e, U R und U D : Zeitablenkung einstellen: TIME BASE im Feld MENU SELECT TIMEBASE Fenster durch Drücken der Wahltaste hervorheben Tastenfolge 50 und μs delay Fenster durch Drücken der Wahltaste hervorheben Tastenfolge 0 und s reference Fenster durch Drücken der Wahltaste hervorheben durch Drücken der Wahltaste cntr hervorheben window Fenster durch Drücken der Wahltaste off hervorheben U D und U R in getrennten Fenster darstellen: DISPLAY im Feld MENU SELECT # of screen Fenster durch Drücken der Wahltaste 2 hervorheben Im oberen Fenster wird jetzt Kanal 1, d.h. die Diodenspannung U D dargestellt Im unteren Fenster wird Kanal 3 dargestellt, d.h. der Spannungsabfall über R, aus dem sich der Strom durch die Diode ermitteln läßt. Beachten Sie, daß das Signal invertiert dargestellt ist. U e läßt sich durch Subtraktion U D - U R darstellen, d.h. es muß das Signal auf Kanal 3 vom Signal auf Kanal 1 abgezogen werden. Sie gehen wir folgt vor: WFORM MATH im Feld MENU SELECT DISPLAY Fenster durch Drücken der Wahltaste ON hervorheben (damit erfolgt eine weitere Teilung des Bildschirmes) CHAN (oberes) Fenster durch Drücken der Wahltaste 1 hervorheben folgendes Fenster durch Drücken der Wahltaste "-" Zeichen hervorheben CHAN (unteres) Fenster durch Drücken der Wahltaste 3 hervorheben Um eine schönere Anzeige zu erhalten, lassen Sie sich die einzelnen Bildpunkte durch Linien verbinden: DISPLAY im Feld MENU SELECT connect dots auf ON stellen Beachte: Vor der Ausgabe auf dem Drucker sollten Sie sich durch Drücken der Taste Show im Feld SETUP die Einstellungen auf dem Bildschirm anzeigen lassen, um diese für die spätere Auswertung auf dem Ausdruck zu haben. Ausdrucken des Bildschirminhaltes HARDCOPY im Feld SYSTEM CONTROL Sie sollten dann etwa folgendes Bild auf dem Oszilloskop bzw. auf Ihrem Ausdruck haben:
6 Seite 6 Abbildung 2: Darstellung von U D, U R und U e auf dem Bilschirm des Oszilloskops
7 Seite 7 Anhang C: Signalauswertung mit Hilfe der Marker: Zur Auswertung der Größen t r, t rr, i rr und i F wird sinnvollerweise nur der Kanal 3 alleine dargestellt. Schalten Sie Kanal 1 und das Differenzsignal aus. CHAN im Feld MENU SELECT, Kanal 1 auf OFF WFORM MATH im Feld MENU SELECT, DISPLAY auf OFF DISPLAY im Feld MENU SELECT, # of screens auf 1 Wie in Anhang B bereits beschrieben, stellen Sie eine für Ihre Auswertung günstige Zeitablenkung ein, indem Sie die Zeitachse (TIMEBASE und delay) entsprechend dehnen. das Marker-Menü wird wie folgt aufgerufen: ΔV, Δt im Feld MENU SELECT Aktivierung der Spannungsmarker: ΔV Fenster: durch Drücken der Wahltaste on hervorheben Vmarker 1 Fenster: die Spannungs-Position des Markers 1 ist hervorgehoben, mit dem Drehknopf kann die gewünschte Position angefahren werden Vmarker 2 Fenster: die Spannungs-Position des Markers 2 ist hervorgehoben, mit dem Drehknopf kann eine andere gewünschte Position angefahren werden Die Positionen der beiden Marker sowie die Differenz zwischen beiden Positionen werden in Volt in der linken unteren Bildhälfte angezeigt. Die Spannung kann über den bekannten Widerstand R in einen Strom umgerechnet werden. Zur Ermittlung des Ausräumstromes könnte das Bild wie folgt aussehen: In gleicher Weise gehen Sie bei der Auswertung des Stromes i F vor. Abbildung 3: Invertiertes Strom-Signal, Messung von i rr Zur Aktivierung der Zeitmarker wählen Sie : Δt markers Fenster: durch Drücken der Wahltaste on hervorheben tmarker 1 Fenster: die Zeit-Position des Markers 1 ist hervorgehoben, mit dem Drehknopf kann die gewünschte Position angefahren werden tmarker 2 Fenster: die Zeit-Position des Markers 2 ist hervorgehoben, mit dem Drehknopf kann eine andere gewünschte Position angefahren werden
8 Seite 8 Die Positionen der beiden Marker sowie die Differenz zwischen beiden Positionen werden in Zeiteinheiten in der unteren Bildhälfte angezeigt. Mit Hilfe der Markertechnik lassen sich leicht die Größen t r und t rr ermitteln, die wie den beiden folgenden Abbildungen gezeigt gemessen werden: Abbildung 4: Invertiertes Strom-Signal zur Auswertung von t rr Abbildung 5: Invertiertes Strom-Signal zur Auswertung von t r
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