o die durchzuführenden Versuchspunkte. Zu einigen Aufgaben sind als Zusätzliche Vorbereitung kleinere Rechnungen durchzuführen.

Transkript

1 Versuch : Diode Fassung vom Versuchsdatum: Gruppe: Teilnehmer: Semester: A: Vorbereitung: (vor Beginn des Praktikums durchführen!) 1. Siehe hierzu auch die Laborordnung. (s. Anhang) Informieren Sie sich ausführlich über o Physikalische Wirkungsweise von Halbleiter- Dioden und Z- Dioden: Literatur: - R. Müller, Grundlagen der Halbleiter- Elektronik (Bd 1) ISBN , Springer- Verlag - R. Müller, Bauelemente der Halbleiter- Elektronik (Bd 2) ISBN , Springer- Verlag - Skriptum Elektronik 1 o die durchzuführenden Versuchspunkte. Zu einigen Aufgaben sind als Zusätzliche Vorbereitung kleinere Rechnungen durchzuführen. o die beigefügten Datenblätter (1N4004, ZPD 5V1) 2. Mitzubringen ist (jeder Teilnehmer): 1 DIN A4 Blatt, Millimeterpapier, Kurvenlineal Testat: (Datum, Namenszeichen)

2 B: Versuch: Dioden Benötigte und verfügbare Geräte: 1 2- Kanal- Oszilloskop (+ Drucker), 2 Tastköpfe 1 Frequenzgenerator ( Sinus, Dreieck, Rechteck ) 1 2- fach Netzteil 2 Multimeter 1 Steckbrett, div. Kabel, Bauteile Prüfen Sie zunächst die bereitgestellte Ausrüstung auf Vollständigkeit (evtl. an Betreuer wenden) 1. Aufnahme einer Dioden- Flußkennlinie I d = f (U d ) Dioden- Typ: 1N 4004 (Gleichrichterdiode) Meßschaltung: (vorhanden) Abb Stellen Sie am Generator ein Dreieck- Signal mit U Gss = 15V ein. Setzen Sie das Signal exakt auf 0V auf! (Frequenz: 200Hz) Diode Fassung vom Seite 2 von 13

3 1.2 Der Strom I d (t) durch die Diode wird als Spannung U 1 (t) über den 1Ω- Meßwiderstand dargestellt. 1.3 Die Spannung U d (t) wird durch U 2 (t) in guter Näherung dargestellt. (weshalb darf das behauptet werden?) 1.4 Stellen Sie die beiden Signale U 1 (t) [Strom] und U 2 (t) [Spannung] am Oszilloskop dar. 1.5 Die Möglichkeit, am Oszilloskop Kanal 2 über Kanal 1 darzustellen (XY- Betrieb), erlaubt die Abbildung der Flußkennlinie I d = f (U d )! Stellen Sie immer sicher, daß die Aufzeichnung der Diodenkennlinie exakt bei 0V beginnt; dies ist am besten in y-t- Darstellung möglich. 1.6 Nutzen Sie Breite und Höhe des Bildschirmes optimal aus durch geeignete Wahl der Eingangsverstärkung des Oszilloskops. 1.7 Drucken Sie diese Kennlinie aus und tragen Sie deutlich Ordinate und Abszisse incl. Maßstab (I d / ma, U d / mv) ein. 1.8 Kühlen Sie die Diode kurz mittels Kältespray und erstellen Sie in diesem gekühlten Zustand erneut einen Ausdruck der Flußkennlinie (unter 1.7 erhaltenen Ausdruck nochmals in den Drucker einlegen!) Diode Fassung vom Seite 3 von 13

4 1.9 Kleben Sie das Bild mit den beiden Kennlinien I d = f (U d ) hier ein: hier einkleben Fragen: o Welches Vorzeichen besitzt der Temperatur- Koeffizient (TK) TK = Δ U d? ΔT I d = konst. o Wie groß ist bei Si- Dioden dieser TK etwa dem Betrage nach (Aus Literatur!) o Ermitteln Sie im Arbeitspunkt I d = 8mA bei Raumtemperatur den dynamischen Widerstand r d der Diode a) durch anlegen der Tangente im Arbeitspunkt. b) durch die in der Vorlesung abgeleitete Beziehung r d = I d Diskutieren Sie die Diskrepanz. (evtl. auch auf Rückseite dieses Blattes): U T Diode Fassung vom Seite 4 von 13

5 2. Sperrbereich einer Diode Allgemeines: Dioden besitzen für negative angelegte Spannungen hervorragende Sperrfähigkeit (Sperrströme I s in Größenordnung na pa). Diese extreme Hochohmigkeit kann allerdings nur bis zu einer bestimmten max. Sperrspannung aufrechterhalten werden. Bei dieser Spannung U Br, der sog. Durchbruchspannung, Steigt der Sperrstrom rapide an, wobei gleichzeitig die Sperrspannung nur noch geringfügig anwächst. Vollständige Kennlinie einer Diode (schematisch): Diode Fassung vom Seite 5 von 13

6 Die Höhe der Durchbruchspannung U Br einer Diode ist technologisch in einem weiten Bereich einstellbar. Bei vielen Dioden- Anwendungen sind solche Durchbrüche zu vermeiden (z.b. Gleichrichtung, Demodulation..), bei manchen Aufgabenstellungen werden diese Effekte jedoch gezielt ausgenützt, v.a. zur Stabilisierung von Spannungen. Z- Dioden (s. a. Datenblatt- Auszug f. Z- Dioden!) Durchbruchkennlinie einer Z- Diode Z- Dioden besitzen im Flußbereich die für alle Dioden übliche Kennlinie. Meßobjekt: Z- Diode ZPD 5V1 (5,1V) Meßschaltung: Abb. 2 Tabelle: I U Diode Fassung vom Seite 6 von 13

7 2.2.1 Vorbereitung (zu Hause!) o Welcher maximale Sperrstrom I Smax darf nicht überschritten werden, wenn die in der Z- Diode umgesetzte Leistung P 2/3 P max sein soll? o Wählen Sie einen geeigneten Widerstand R, wenn U Qmax = 25V sein soll. Welche Leistung wird in R umgesetzt? o Wie sind die zwei wichtigen Durchbruchsmechanismen bei Z- Dioden physikalisch zu erklären? (s. Literatur!) o Weshalb wird demzufolge bei diesem Versuch eine Z- Diode im Bereich zwischen 5V und 6V (5,1V) eingesetzt? Diode Fassung vom Seite 7 von 13

8 2.2.2 Bauen Sie die Meßschaltung nach Abb. 2 auf dem Steckbrett auf und stellen Sie den interessierenden Bereich der Durchbruch- Kennlinie durch Messwerte- Paare I und U in Der Tabelle dar Stellen Sie diese Werte bei geeigneter Maßstabswahl graphisch auf Millimeterpapier als Durchbruchkennlinie I S = f (U) dar (Kurvenlineal verwenden!) Ermitteln Sie bei I S =10mA den dynamischen Widerstand r Z der Diode. 3. Schaltverhalten einer Diode 3.1 Vorbereitung: s. Literaturangabe! 3.2 Meßschaltung (vorhanden) Abb. 3 Eingangsspannung U G (t) : Rechtecksignal, f 1kHz U Gss = 20V Diode Fassung vom Seite 8 von 13

9 3.2.1 Stellen Sie jeweils Strom i d (t) ( U 1 (t)) und Spannung Ud (t) ( U 2 (t)) für folgende 3 Generatoreinstellungen am Oszilloskop dar und erstellen Sie Ausdrucke; Tragen Sie in jeden Ausdruck geeignete Strom- Spannungs- und Zeitmaßstäbe ein. Markieren Sie die charakteristischen Zeiten t s (Speicherzeit) sowie t rr (Sperrverzögerungszeit) Diskutieren Sie, wie auf der Basis Ihrer Vorbereitung (3.1) die typischen Zeitabschnitte des Schaltvorganges physikalisch zu erklären sind. (evtl. auch Rückseite dieses Blattes verwenden). Diode Fassung vom Seite 9 von 13

10 4. Kleinsignal- Verhalten / Dynamischer Widerstand 4.1 Vorbereitung s. Literatur 4.2 Allgemeines: Jedes elektronische Bauelement, dessen I U Charakteristik nichtlinear ist (z.b. Diode), kann bei hinreichend kleinen Signalamplituden linearisiert werden. Die nichtlineare Kennlinie wird hierbei in unmittelbarer Umgebung eines gewählten Arbeitspunktes (AP) nur so geringfügig ausgesteuert, daß der betroffene Kennlinienabschnitt in 1. Näherung durch seine Tangente im AP darstellbar ist. 4.3 Meßschaltung (auf Steckbrett aufzubauen) Abb. 4 Diode Fassung vom Seite 10 von 13

11 4.3.1 Graphische Darstellung (schematisch) Abb Vorbereitung: Leiten Sie auf der Grundlage der Meßschaltung (Abb. 4) und Abb. 5 einen formelmäßigen Ausdruck ab, der es erlaubt, aus den Meßgrößen ΔU G, ΔU d den dynamischen Kleinsignal- ΔU Widerstand r d = d dieser Diode im gewählten AP zu ermitteln. ΔI Bauen Sie die Meßschaltung auf dem Steckbrett auf und führen Sie die nötige Messung durch. Berechnen Sie hieraus r d Diode Fassung vom Seite 11 von 13

12 Anhang / 1N 4004 Nennstrom 1A Diode Fassung vom Seite 12 von 13

13 Anhang / ZPD 5V1 Diode Fassung vom Seite 13 von 13