PROTOKOLL ZUM VERSUCH HALBLEITERBAUELEMENTE

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1 PROTOKOLL ZUM VERSUCH HALBLEITERBAUELEMENTE VON CHRISTIAN PELTZ Inhaltsverzeichnis 1. Versuchsbeschreibung Ziel Aufgaben Vorbetrachtungen 2 2. Versuchsdurchführung Untersuchung des Schaltverhaltens Untersuchen einer Gleichrichterschaltung Glättung 7 1. Versuchsbeschreibung 1.1. Ziel. Bestimmung der statischen und dynamischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen. Untersuchung von Gleichrichterschaltungen Aufgaben Untersuchung des Schaltverhaltens. Bestimmen Sie die Sperrververzögerungszeit einer Leistungsdiode in Abhängigkeit vom Durchlassstrom und vom Sperrstrom Untersuchung einer Gleichrichterschaltung. Oszillograeren Sie in den Schaltungen entsprechend Abbildung 1.1 a) und b) den Ausgangsstrom, den Kondensatorstrom und den Diodenstrom bei R L = 1kΩ und U e = 6V/50Hz. Bestimmen Sie den Stromusswinkel Glättung. Oszillograeren Sie die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltungen entsprechend Abbildung 1.1 a), b) und c) sowie Abbildung 1.2 bei U e = 6V/50Hz. Date:

2 PROTOKOLL ZUM VERSUCH HALBLEITERBAUELEMENTE 2 Abbildung 1.1. Schaltung 1 Abbildung 1.2. Schaltung Vorbetrachtungen Impulsverhalten von pn-übergängen. Halbleiterdioden zeigen im dynamischen Betrieb, z.b. mit einer Rechteckspannung, eine Schaltträgheit. Die Diode reagiert also nich instantan auf den Sperr- bzw. Durchlassbefehl. Die Verzögerungszeit von Durchlass auf Sperrung heiÿt Sperrträgheit und die von Sperrung auf Durchlass heiÿt Durchlassträgheit. Es stellt sich heraus das die Sperrträgheit wesentlich gröÿer ist als die Durchlassträgheit. Soll die Diode gesperrt werden muss erst die, sich durch den Durchlassstrom gebildete, Raumladung am pn-übergang abgebaut werden. Es ieÿt also nach dem Sperrbefehl noch solange ein merklicher Strom bis der pn-übergang wieder an Ladungsträgern verarmt ist, diese Zeit wird Sperrverzugszeit genannt. Bis der eigentliche Sperrzustand erreicht ist muss die Spannung an der Diode noch auf den Sperrwert anwachsen. Dies ist jedoch erst der Fall wenn der Sperrstrom der Sperrschicht genug Ladungen zugeführt hat. Die Gesamtzeit vom

3 PROTOKOLL ZUM VERSUCH HALBLEITERBAUELEMENTE 3 Sperrbefehl bis zum Sperrzustand setzt sich also aus dieser und der Sperrverzugszeit zusammen und wird auch Erholzeit genannt. Beim Durchlassbefehl muss erst wieder eine Raumladungszone am pn-übergang geschaen werden um den Durchlasswiderstand zu senken. Diese Zeit ist die Durchlassträgheit Einweg- und Zweiweggleichrichterschaltungen. Gleichrichterschaltungen sind ein wichtiges Anwendungsgebiet von Halbleiterdioden. Bei einer Einweggleichrichterschaltung wird mit Hilfe einer Diode der Sperrrichtungsteil der Wechselspannung herausgeltert. Es wird also jede zweite Halbwelle passieren gelassen. Bei einer Zweiweggleichrichterschaltung tragen durch geschickte Anordnung von Dioden beide Halbwellen zur Ausgangsspannung bei. Jede zweite Halbwelle wird quasi nach oben geklappt Ladekondensator. Die mit einer einfachen Schaltung gleichgerichtete Spannung besteht aus Halbwellen. Um diese zu glätten kann man ähnlich Abbildung 1.1 einen Ladekondensator in die Schaltung integrieren. Dieser wird parallel zum Lastwiderstand eingebaut. Immer wenn die Diode in Durchussrichtung geschaltet ist wird dieser Kondensator aufgeladen. Ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet entlädt sich der Kondensator über den Lastwiderstand und glättet so die Halbwelleneingangsspannung Stromusswinkel. Den Zeitraum in der eine Diode in Durchussrichtung geschaltet ist, also beispielsweise den Ladekondensator lädt, kann man als Winkel angeben. Dabei stellt eine volle Schwingung 360 dar und der Zeitraum des Flussstromes wird als Anteil an dieser Schwingung in Grad angegeben. 2. Versuchsdurchführung 2.1. Untersuchung des Schaltverhaltens verwendete Geräte. Oszillograf Nr.3 Funktionsgenerator Steckbrett Nr Sperrverzögerungszeit in Abhängigkeit vom Durchlassstrom/Sperrstrom. Um die Abhängigkeit der Sperrverzögerungszeit vom Durchlass- bzw. Sperrstrom zu untersuchen wird die Eingangsspannung erhöht und mit Hilfe der Oset-Funktion nach unten bzw. oben verschoben. Die Ergebnisse sind den Abbildungen 2.1, 2.2 dargestellt.

4 PROTOKOLL ZUM VERSUCH HALBLEITERBAUELEMENTE 4 Abbildung 2.1. konstanter Sperrstrom Abbildung 2.2. konstanter Durchlassstrom

5 PROTOKOLL ZUM VERSUCH HALBLEITERBAUELEMENTE Auswertung. Es zeigt sich das die Sperrverzögerungszeit mit dem Durchlassstrom steigt und sinkt wenn der Sperrstrom erhöht wird. Dies lässt sich dadurch erklären das sich bei einem gröÿeren Durchlassstrom eine gröÿere Ladungsmenge am pn-übergang sammelt. Diese muss durch den Sperrstrom wieder abtransportiert werden. Je gröÿer also der Durchlassstrom desto mehr Zeit benötigt der Sperrstrom zum Abtransport dieser, und je gröÿer der Sperrstrom desto weniger Zeit braucht dieser um die Ladungsmenge, die der Durchussstrom in das pn-übergangsgebiet gebracht hat, abzutransportieren Untersuchen einer Gleichrichterschaltung verwendete Geräte. Oszillograf Nr.3 Steckbrett Nr.3 6V Transformator Durchführung. Um die Dioden- und Kondensatorströme oszillograeren zu können werden Widerstände mit den Dioden und den Kondensatoren wie in Abbildung 2.3 in Reihe geschaltet. Der Spannungsabfall an den vorgeschalteten Widerständen ist den Strömen durch Diode bzw. Kondensator proportional. Abbildung 2.3. Zweiweggleichrichterschaltung Die Ergebnisse dieser Messung sind in den Abbildungen 2.4, 2.5 zu sehen.

6 PROTOKOLL ZUM VERSUCH HALBLEITERBAUELEMENTE 6 Abbildung 2.4. C = 0µF Abbildung 2.5. C = 10µF Auswertung. Bei der Schaltung ohne Kondensator sind natürlich kaum Unterschiede zwischen Dioden- und Ausgangsstrom zu erkennen, der Stromusswinkel beträgt beinahe 180. Bei der Schaltung mit Kondensator sieht man wie dieser bei den Eingangsspannungspitzen geladen wird und in den Zwischenzeiten die Last mit Strom versorgt. Der Stromusswinkel beträgt beinahe 90.

7 2.3. Glättung. PROTOKOLL ZUM VERSUCH HALBLEITERBAUELEMENTE verwendete Geräte. Oszillograf Nr.3 Steckbrett Nr.3 6V Transformator Durchführung. Es wird nun eine Schaltung mit einem weiteren Kondensator nach Abbildung 2.6 aufgebaut und dann die Ausgangsspannung oszillograert, ebenso wie die Ausgangsspannungen für die drei vorhergehenden Schaltungen nach Abbildung 2.3. Abbildung 2.6. Schaltung 3 Mit Hilfe der Trace-Funktion des Oszillografen konnten alle 4 Ausgangsspannungen auf einen Ausdruck gebracht werden.

8 PROTOKOLL ZUM VERSUCH HALBLEITERBAUELEMENTE 8 Abbildung 2.7. Ausgangsspannungen Auswertung. Die Spannungen sind von oben nach unten für C = 0µF, C = 10µF, C = 100µF und für 2 C = 100µF aufgetragen. Es ist deutlich zu erkennen wie die Ausgangsspannung für gröÿere Kondensatoren mit Schaltung 1 immer besser geglättet wird und in Schaltung zwei schon fast keine Brummspannung mehr zu erkennen ist.