Elementy półprzewodnikowe

Krzysztof Makles
Sprzęt i architektura komputerów
Laboratorium
Temat:
Elementy i układy półprzewodnikowe
Katedra Architektury Komputerów i Telekomunikacji
Zakład Systemów i Sieci Komputerowych
SPIS TREŚCI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Wymagania......................................................................................................................... 3
Obsługa oscyloskopu wirtualnego ..................................................................................... 3
Obwód prądu przemiennego – dioda prostownicza ........................................................... 5
Obwód prądu przemiennego – badanie kondensatora........................................................ 6
Podsumowanie ................................................................................................................... 7
Literatura ............................................................................................................................ 7
1. W Y M A GAN I A
Do wykonania niniejszego ćwiczenia niezbędne jest zapoznanie się z następującymi
zagadnieniami:
1. Dioda półprzewodnikowa: budowa, zasada działania złącza półprzewodnikowego typu pn,
rodzaje diod, parametry, zastosowanie
2. Kondensator: budowa, zasada działania, parametry, zastosowanie w obwodach
elektronicznych
3. Generator funkcyjny: przeznaczenie, parametry, podstawy obsługi
4. Oscyloskop: zasada działania, podstawy obsługi
2. O BS ŁUGA O S CY L O S KO PU W I RTUA L N EGO
Wizualizację przebiegów sygnałów w środowisku NI ELVIS II można przeprowadzić w dwojaki
sposób: korzystając z oscyloskopu wirtualnego, lub korzystając z oscyloskopu rzeczywistego. Poniżej
pokazany zostanie przykład do samodzielnej realizacji, dotyczący obsługi oscyloskopu wirtualnego.
Rys. 1.
Wejścia i wyjścia do obsługi oscyloskopu wirtualnego
Na rysunku 1 pokazano wejścia i wyjścia potrzebne do wykonania ćwiczenia: przyłącze BNC
FGEN (1), wejście dla kanału 0 oscyloskopu (2), wejścia dla sygnałów analogowych AI+ i AI-, które
podlegały będą konwersji do sygnałów cyfrowych (3), wejście masy dla sygnałów analogowych
AIGND (4), oraz wyjście z generatora sygnałów FGEN (5).
Należy przyjąć następującą procedurę wykonania ćwiczenia:
Sprzęt i architektura komputerów
1. Przy pomocy kabla BNC połączyć przyłącza BNC FGEN oraz CH0 (lewa strona ELVIS-a).
2. Za pomocą przewodów połączyć na płycie do prototypowania FGEN z AI 0+, oraz AIGND z
AI 0-.
3. Uruchomić Programy->National Instruments->Ni ELVISmx Instrument Launcher>Instruments->Function Generator.
4. Ustawić parametry generatora zgodnie z rysunkiem 2. Wybieramy przebieg fali jako
sinusoidę (1), częstotliwość fali na 100 Hz (2), amplitudę na 2 Vpp (3), a sposób
przekierowania sygnałów ustawić na FGEN BNC (4).
5. Nacisnąć Run, aby uruchomić generator funkcji.
6. Uruchom oscyloskop wirtualny.
Rys. 2.
Widok generatora funkcji
7. Ustaw parametry oscyloskopu zgodnie z rysunkiem 3. Źródło sygnału ustawiamy na kanał
0: SCOPE CH0 (1), uaktywniamy pomiar na kanale 0: Enabled (2), skalę dla kanału 0
ustawiamy na 1V (3), czas trwania jednego impulsu (timebase) ustawiamy na 5 ms (4).
8. Uruchom oscyloskop (Run). Powinieneś zaobserwować sinusoidę o częstotliwości 100 Hz.
9. W generatorze funkcji zmień sposób przekierowania sygnałów z FGEN BNC na Prototyping
board.
10. W oscyloskopie zmień źródło sygnału z CH 0 na AI 0.
11. Powinieneś zaobserwować sinusoidę o częstotliwości 100 Hz.
Strona 4 z 7
Sprzęt i architektura komputerów
Rys. 3.
3. O BW Ó D
PR Ą D U
PRO S TO W N I CZA
Widok oscyloskopu
PRZEM I EN N EGO
–
D I O DA
Wykorzystując generator sygnałów FGEN z platformy NI ELVIS II, diodę prostowniczą 1N4001
oraz rezystor (1 kΩ) zbuduj obwód prądu przemiennego według schematu na rys. 4.
Rys. 4.
Układ prądu przemiennego z szeregowym połączeniem rezystora i diody
1. Na pulpicie obsługi generatora FGEN wybierz sygnał sinusoidalny i ustaw jego parametry:
napięcie międzyszczytowe Vp-p generowanego sygnału na 5 V i częstotliwość f na 50 Hz.
2. Podłącz oscyloskop do zacisków rezystora i diody wykorzystując analogowe wejścia
różnicowe. Zaciski rezystora podłącz do wejść oznaczonych symbolami odpowiednio AI0+
i AI0-, natomiast zaciski diody podłącz do wejść oznaczonych symbolami AI1+ i AI13. Na pulpicie instrumentu wirtualnego (oscyloskop) ustaw bieżące źródła sygnału dla kanału
0 (Channel 0) na AI0, zaś dla kanału 1 (Channel 1) na AI1 oraz włącz oba kanały (opcje
„Enabled”)
4. Zaobserwuj i naszkicuj (lub wykonaj zdjęcie) przebiegi napięcia na diodzie i rezystorze.
Ponieważ napięcie na rezystorze jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu płynącego
w obwodzie, zatem przebieg napięcia na rezystorze można traktować jako przebieg
natężenia prądu płynącego przez obwód (z dokładnością do stałej multiplikatywnej).
Strona 5 z 7
Sprzęt i architektura komputerów
5. (Zadanie domowe). Podaj wnioski wynikające z obserwacji przebiegów napięcia na diodzie
i natężenia prądu płynącego w obwodzie.
4. O BW Ó D
PRĄ D U
KO N D EN S A TO RA
PRZ EM I EN N EGO
–
BA D A N I E
Wykorzystując generator sygnałów FGEN z platformy NI ELVIS II, dostarczone przez
prowadzącego kondensator oraz rezystor zbuduj obwód prądu przemiennego według schematu na
rys. 5.
Rys. 5.
Układ prądu przemiennego z szeregowym połączeniem rezystora i kondensatora
1. Odczytaj wartości nominalne rezystancji rezystora R i pojemności kondensatora C.
2. Na pulpicie obsługi generatora FGEN wybierz sygnał sinusoidalny i ustaw jego parametry:
napięcie międzyszczytowe Vp-p generowanego sygnału na 5 V i częstotliwość f na 1 kHz
3. Podłącz oscyloskop do zacisków rezystora i kondensatora wykorzystując analogowe
wejścia różnicowe. Zaciski rezystora podłącz do wejść oznaczonych symbolami
odpowiednio AI0+ i AI0-, natomiast zaciski kondensatora podłącz do wejść oznaczonych
symbolami AI1+ i AI14. Na pulpicie instrumentu wirtualnego (oscyloskop) ustaw bieżące źródła sygnału dla kanału
0 (Channel 0) na AI0, zaś dla kanału 1 (Channel 1) na AI1 oraz włącz oba kanały (opcje
„Enabled”)
5. Zaobserwuj i naszkicuj (lub wykonaj zdjęcie) przebiegi napięcia na kondensatorze
i rezystorze. Ponieważ napięcie na rezystorze jest wprost proporcjonalne do natężenia
prądu płynącego w obwodzie, zatem przebieg napięcia na rezystorze można traktować jako
przebieg natężenia prądu płynącego przez obwód (z dokładnością do stałej
multiplikatywnej).
6. Dla trzech różnych częstotliwości generowanego sygnału napięciowego zmierz, używając
kursorów na ekranie oscyloskopu, przesunięcie czasowe ∆t pomiędzy napięciem na
kondensatorze uC, a natężeniem i prądu płynącego w obwodzie (napięciem na rezystorze).
Zmierz także okres T sygnału napięciowego na rezystorze (lub kondensatorze). Wyniki
wpisz do tabeli 4.
Tabela 1: Przesunięcie pomiędzy napięciem i natężeniem prądu na kondensatorze
L.p.
f [Hz]
∆t [ µs]
T [µs]
1.
2.
Strona 6 z 7
ϕ [ °]
Sprzęt i architektura komputerów
7. (Zadanie domowe). Dla każdej częstotliwości oblicz przesunięcie fazowe ϕ pomiędzy
prądem płynącym przez kondensator a napięciem na kondensatorze korzystając
z zależności
ϕ
∆t
.
=
ο
T
360
Czy przesunięcie fazowe ϕ zależy od częstotliwości f sygnału z generatora? Czy na
kondensatorze prąd wyprzedza napięcie, czy napięcie wyprzedza prąd?
8. (Zadanie domowe) Odpowiednikiem rezystancji dla kondensatora w obwodach prądu
przemiennego jest reaktancja pojemnościowa oznaczana symbolem XC. Jakim wzorem jest
ona opisana? Czy reaktancja pojemnościowa zależy od częstotliwości, a jeśli tak, to rośnie
on ze wzrostem częstotliwości czy maleje?
9. (Zadanie domowe) Opór stawiany prądowi przemiennemu przez układ szeregowo
połączonych rezystora i kondensatora określa parametr nazywany impedancją (zawadą),
dany wzorem
Z = R 2 + X C2 .
Czy wartość tego parametru zależy od częstotliwości, a jeśli tak, to rośnie on ze wzrostem
częstotliwości czy maleje?
5. PO D S UM O W A N IE
W wyniku przeprowadzonego ćwiczenia, a także ćwiczeń poprzednich student powinien nabyć
bądź utrwalić następujące umiejętności:
• posługiwanie się stałymi i regulowanymi źródłami napięcia w zakresie sposobów połączenia
i nastawy parametrów
• obsługa generatora funkcyjnego w podstawowym zakresie
• obsługa oscyloskopu w podstawowym zakresie
• zasada działania i parametry kondensatora, w szczególności jego właściwości w obwodach
prądu zmiennego (reaktancja pojemnościowa, przesunięcie fazowe między prądem
i napięciem)
• zasada działania i parametry diody półprzewodnikowej (nieliniowa zależność natężenia prądu i
napięcia, rezystancja statyczna oraz dynamiczna)
6. L I TERA TURA
[1] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki cz. 1, wydanie 9, WKiŁ, Warszawa 2009
[2] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume VI – Experiments.
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Exper/index.html (dostęp październik 2010)
[3] Kuphaldt
T.
R.:
Lessons
In
Electric
Circuits,
Volume
I
–
DC,
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/DC/index.html (dostęp październik 2010)
[4] Kybett H., Boysen E.: Elektronika dla każdego. Przewodnik, Helion, Gliwice, 2012
[5] Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach,
WNT, Warszawa, 2006
[6] [Rydzewski J.: Pomiary oscyloskopowe, WNT, wyd. 3, Warszawa 2007
Strona 7 z 7