Grundlagenpraktikum 2.Teil Versuch : Diode Fassung vom 15.09.2005 A: Vorbereitung 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 3-540-53200-5, Springer- Verlag - R. Müller, Bauelemente der Halbleiter- Elektronik (Bd 2) ISBN 3-540-16638-6, Springer- Verlag - Skriptum Elektronik 1 o die durchzuführenden Versuchspunkte. Zu einigen Aufgaben sind vor Beginn des Praktikums als Vorbereitung kleinere Rechnungen durchzuführen. o die beigefügten Datenblätter (1N4004, ZPD 5V1) 2. Mitzubringen ist (für jede Gruppe): 1 DIN A4 Blatt, Millimeterpapier, Kurvenlineal.
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: Abb. 1 1.1 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 15.09.2005 Seite 2 von 15
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 15.09.2005 Seite 3 von 15
1.9 Kleben Sie das Bild mit den beiden Kennlinien I d = f (U d ) hier ein: 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!) Diode Fassung vom 15.09.2005 Seite 4 von 15
2. Sperrbereich einer Diode 2.1 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 15.09.2005 Seite 5 von 15
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!) 2.2 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 15.09.2005 Seite 6 von 15
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 den Widerstand R, wenn U Qmax = 25V sein soll 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 15.09.2005 Seite 7 von 15
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. 2.2.3 Stellen Sie diese Werte bei geeigneter Maßstabswahl graphisch auf Millimeterpapier als Durchbruchkennlinie I S = f (U) dar (Kurvenlineal verwenden!) 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 15.09.2005 Seite 8 von 15
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; 3.2.2 Tragen Sie in jeden Ausdruck geeignete Strom- Spannungs- und Zeitmaßstäbe ein. Markieren Sie die charakteristischen Zeiten t s (Speicherzeit) sowie t rr (Sperrverzögerungszeit) 3.2.3 Diskutieren Sie in der Gruppe, wie auf der Basis Ihrer Vorbereitung (3.1) die typischen Zeitabschnitte des Schaltvorganges physikalisch zu erklären sind. Diode Fassung vom 15.09.2005 Seite 9 von 15
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! Signalgenerator U G (t) über Trenntrafo!! Diode Fassung vom 15.09.2005 Seite 10 von 15
4.3.1 Graphische Darstellung (schematisch) Abb. 5 4.4 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 Diode Fassung vom 15.09.2005 Seite 11 von 15
4.5 Bauen Sie die Meßschaltung auf dem Steckbrett auf und führen Sie die nötige Messung durch. Berechnen Sie hieraus r d Diode Fassung vom 15.09.2005 Seite 12 von 15
Anhang / 1N 4004 Nennstrom 1A Diode Fassung vom 15.09.2005 Seite 13 von 15
Anhang / ZPD 5V1 Diode Fassung vom 15.09.2005 Seite 14 von 15
Laborordnung für A317 und A319 1. Den Anweisungen des Praktikums/Übungsleiters und dessen Beauftragten ist Folge zu leisten. Der Studierende soll sich an dem ihm zugewiesenen Arbeitsplatz aufhalten. 2. Unbefugter Aufenthalt im Labor ist verboten. Es müssen immer mindestens zwei Personen im Labor arbeiten - der Aufenthalt einer Einzelperson im Labor ist verboten! Für Unfälle bei unbefugtem Aufenthalt wird keine Haftung übernommen. 3. Verlassen die letzten beiden Personen das Labor, so ist dafür Sorge zu tragen, dass die Laborspannung abgeschaltet wird und der Raum abgeschlossen wird. 4. Die Durchführung elektrischer Versuche birgt besondere Gefahren. So kann das Berühren spannungsführender Teile, die unter höherer Spannung als 50V Wechsel- bzw. 120V Gleichspannung stehen, unter ungünstigen Verhältnissen bereits tödlich sein. Es ist streng verboten, fremde Aufbauten und Messanordnungen zu berühren, irgendwelche Veränderungen vorzunehmen oder Messgeräte und Leitungen daraus zu entfernen, sowie Geräte von anderen (evtl. z. Zt. nicht benutzten) Plätzen zu entnehmen. Auf das Gefahrenpotential wird nochmals ausdrücklich hingewiesen. Versuchsbedingte Umbauten dürfen nur im spannungslosen Zustand erfolgen. Für Aufbauten mit Spannungen über 40V sind ausnahmslos Sicherheitslaborleitungen zu verwenden. Alte Laborleitungen dürfen in diesen Aufbauten nicht mehr verwendet werden, auch nicht für Schaltungsteile, die mit kleinerer Spannung betrieben werden. 5. Mit den Laboreinrichtungen und Geräten ist sorgfältig umzugehen. Verursachte oder festgestellte Schäden an Geräten, Einrichtungen oder an Personen sind sofort dem Aufsichtsführenden zu melden. Für vorsätzlich oder fahrlässig verursachte Schäden haftet der Benutzer persönlich! 6. Um einen Praktikumsversuch sicher, mit der nötigen Sachkompetenz und im vorgegebenen Zeitrahmen durchführen zu können und Gefährdungen von Teilnehmern und Laboreinrichtungen zu vermeiden, wird von jedem Teilnehmer zum jeweiligen Versuchsthema eine sorgfältige Vorbereitung erwartet. Die Vorkenntnisse der Teilnehmer können durch studienleitende Maßnahmen (z.b. Eingangskolloquium, Fragen während des Versuches) überprüft werden. 7. Verstößt ein Laborbenutzer gegen diese Richtlinien, so kann er vom Laborleiter bis zur Dauer eines Semesters von der weiteren Nutzung des Labors ausgeschlossen werden. HINWEIS auf notwendiges Verhalten im GEFAHRENFALL: Bei Unfällen mit elektrischem Strom ist der STROMKREIS SOFORT zu UNTERBRECHEN. (Not-Aus-Schalter). Im Übrigen gelten die Bestimmungen für das Verhalten bei Bränden und anderen Gefahren gemäß der Hausordnung. Nürnberg, den 01.7.2005 Prof. Dr. Sebald Diode Fassung vom 15.09.2005 Seite 15 von 15