Diody półprzewodnikowe - PB Wydział Elektryczny

Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:
ELEMENTY ELEKTRONICZNE
TS1C300 018
Diody półprzewodnikowe:
charakterystyki oraz wybrane zastosowania
BIAŁYSTOK 2013
Katedra Automatyki i Elektroniki
Diody półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest:
poznanie podstawowych
właściwości
i
parametrów diod
półprzewodnikowych
(prostowniczych, uniwersalnych, stabilizacyjnych, pojemnościowych, stabilizatorów
prądu);
zapoznanie się z kartami katalogowymi badanych elementów;
pomiar statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych diod półprzewodnikowych;
badanie wybranych układów z diodami półprzewodnikowymi.
Szczegółowy zakres ćwiczenia oraz typy i symbole badanych elementów podaje
prowadzący na początku ćwiczenia.
2. WYPOSAŻENIE STANOWISKA POMIAROWEGO
makiety uniwersalne, przedstawione na rys.1 i rys. 2;
uniwersalna płyta łączeniowa GL-12F z przewodami łączeniowymi;
regulowany zasilacz laboratoryjny HM7042 (2x 0–32 V/0–2 A + 1x 0–5,5 V/0–5 A);
oscyloskop cyfrowy;
generator funkcyjny;
częstościomierz;
multimetry uniwersalne.
Pozostałe przyrządy pomiarowe będą dostępne w zależności od potrzeb, wynikających
ze specyfiki badanego układu.
a)
2
Katedra Automatyki i Elektroniki
Diody półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
b)
Rys. 1 Dwa rodzaje makiet uniwersalnych do badania diod półprzewodnikowych – skala 1:1
(Oznaczenia: szare kółka – gniazda bananowe 2mm, czarne prostokąty – miniaturowe listwy
łączeniowe do mocowania elementów z dwoma lub trzema zaciskami)
Rys.2 Makieta do badania diod półprzewodnikowych oraz ich wybranych zastosowań
3
Katedra Automatyki i Elektroniki
Diody półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
3. UKŁADY POMIAROWE
3.1 Badanie diod półprzewodnikowych.
3.1.1 Układ do wyznaczanie charakterystyk statycznych metodą "punkt po punkcie".
Najprostszą metodą wyznaczania charakterystyk statycznych diod jest metoda “punkt
po punkcie". Metoda ta jest czasochłonna i nie pozwala na wyznaczanie charakterystyk
statycznych w dużym zakresie prądów i napięć, ponieważ dioda nagrzewa się i otrzymywane
charakterystyki są nie tylko funkcją jej właściwości elektrycznych, ale również temperatury.
Pomiar powinien być więc wykonany możliwie szybko i przy wartościach prądów i napięć
znacznie niższych od dopuszczalnych. Zaletą metody jest stosunkowo duża dokładność.
Podstawowe układy do wyznaczania charakterystyk statycznych diod metodą “punkt
po punkcie" przedstawiono na rysunku 3.
+
Zasilacz
A
R
regulowany
V
_
a)
+
Zasilacz
regulowany
A
R
V
_
b)
Rys.3 Schematy układów pomiarowych do wyznaczania charakterystyk statycznych złącza
p-n metodą „punkt po punkcie”: a) w kierunku przewodzenia, b) w kierunku zaporowym
Pierwszy z przedstawionych układów, jest układem do pomiaru małych rezystancji
(dokładny pomiar napięcia na diodzie) i może być wykorzystany do wyznaczania
charakterystyki złącza p-n w kierunku przewodzenia, natomiast drugi służy do pomiaru
dużych rezystancji (dokładny pomiar prądu) i wykorzystywany jest do zdejmowania
charakterystyki zaporowej.
Uwaga! Zastanowić się nad sposobem pomiaru charakterystyk diody stabilizacyjnej.
4
Katedra Automatyki i Elektroniki
Diody półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
3.1.2. Układ do wyznaczania charakterystyk statycznych diod metodą oscyloskopową.
Zalety metody oscyloskopowej:
możliwa jest obserwacja małych nieregularności charakterystyki, które mogłyby być
pominięte (przeoczone) w metodzie "punkt po punkcie",
przy małym współczynniku wypełnienia impulsów napięcia i prądu badany element
nagrzewa się nieznacznie, co pozwala na obserwacje w szerszym zakresie prądów,
na ekranie oscyloskopu można obserwować charakterystykę prądowo-napięciową
jednocześnie dla obu polaryzacji złącza.
Wadą omówionej metody jest stosunkowo mała dokładność.
Transformator
230V/24V
R1
do kanału X
oscyloskopu
ud
R ⋅ id
D
R
do kanału Y
oscyloskopu
Rys.4 Uproszczony schemat do wyznaczania charakterystyk prądowo-napięciowych diod
półprzewodnikowych metodą oscyloskopową.
Wyznaczając charakterystyki prądowo-napięciowe metodą oscyloskopową, diodę zasila
się ze źródła napięcia zmiennego niskiej częstotliwości. W najprostszym przypadku może to
być obniżone, za pomocą transformatora, napięcie sieci (rys. 4). Spadek napięcia na diodzie D
jest doprowadzony do wejścia X oscyloskopu, natomiast spadek napięcia na rezystorze
pomiarowym R - proporcjonalny do prądu płynącego przez diodę - do wejścia Y. Ze względu
na umiejscowienie masy w układzie pomiarowym należy w oscyloskopie włączyć inwersję
kanału Y. Sumaryczną wartość rezystancji R i R1 dobieramy w taki sposób, aby prąd płynący
w obwodzie był mniejszy od dopuszczalnego prądu badanej diody, zaś wartość rezystora R
powinna zapewnić łatwe przeliczanie czułości kanału Y z napięciowej (V/div) na prądową
(I/div).
5
Katedra Automatyki i Elektroniki
Diody półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
Przykładowa charakterystyka prądowo
- napięciowa diody Zenera (C3V6) pokazana
została na rys. 5 (R1 = 680Ω, R = 51Ω).
W przypadku, gdy chcemy obserwować
charakterystykę
jedynie
w
kierunku
przewodzenia, należy szeregowo z rezystorem
R1 włączyć pomocniczą diodę prostowniczą,
zapewniającą przepływ prądu przez badaną
Rys.5 Charakterystyka prądowo – napięciowa diody
Zenera (C3V6) zdjęta metodą oscyloskopową
diodę D tylko w jednym kierunku.
3.2 Schematy wybranych układów z diodami półprzewodnikowymi
3.2.1 Prostownik jednopołówkowy
Transformator
230V/24V
+
C
Robc
3.2.2 Prostownik dwupołówkowy
Transformator
230V/24V
+
C
Robc
6
Katedra Automatyki i Elektroniki
Diody półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
3.2.3 Stabilizator napięcia z diodą Zenera
R
Uwe
DZ
Uwy
Robc
3.2.4 Symetryczne i niesymetryczne diodowe ograniczniki napięcia
A
R
A
A
A
Uwe
DZ1
DZ1
D1
DZ1
DZ2
DZ1
Uwy
B
B
B
B
4. POMIARY
Uwaga! Przed rozpoczęciem pomiarów:
zapoznać
się
z
kartami
katalogowymi
badanych
przyrządów
półprzewodnikowych (dostępne w laboratorium lub na stronach internetowych);
zanotować najważniejsze parametry dopuszczalne i charakterystyczne badanych
elementów.
4.1
wyznaczyć metodą „punkt po punkcie” charakterystyki statyczne wybranych diod w
kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym;
4.2
wyznaczyć charakterystyki statyczne wybranych diod metodą oscyloskopową (w
kierunku przewodzenia, w kierunku zaporowym lub w obu kierunkach jednocześnie);
4.3
zbadać wpływ wartości pojemności filtrującej na wartość tętnień na wyjściu
prostownika jednopołówkowego (dwupołówkowego) przy stałej wartości rezystancji
obciążenia;
7
Katedra Automatyki i Elektroniki
Diody półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
4.4
zbadać wpływ wartości rezystancji obciążenia na wartość tętnień na wyjściu
prostownika jednopołówkowego (dwupołówkowego) przy stałej wartości pojemności
filtrującej;
4.5
zdjąć charakterystyki przejściowe (Uwy = f(Uwe) )stabilizatora napięcia z diodą Zenera
metodą „punkt po punkcie” przy Robc = 100 Ω oraz przy odłączonym obciążeniu
(zakres napięć wejściowych od 0 do 2UZ);
4.6
zdjąć charakterystyki przejściowe stabilizatora napięcia z diodą Zenera metodą
oscyloskopową przy Robc = 100 Ω oraz przy odłączonym obciążeniu (zakres napięć
wejściowych od 0 do 2UZ);
4.7
na wejście stabilizatora podać napięcie z prostownika z tak dobraną wartością
pojemności filtrującej, aby wartość międzyszczytowa tętnień była rzędu 2-3V;
zarejestrować oscylogramy napięć na wejściu i wyjściu stabilizatora;
4.8
zdjąć charakterystyki przejściowe diodowych ograniczników napięcia metodą
oscyloskopową.
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
Uwaga! Protokół pomiarowy po zakończeniu ćwiczenia powinien być podpisany przez
prowadzącego i dołączony do sprawozdania z ćwiczenia.
W sprawozdaniu należy zamieścić:
schematy układów pomiarowych
oscylogramy
wyniki pomiarów w postaci tablic i wykresów
W zależności od zakresu wykonanych badań:
oszacować rezystancje statyczne i dynamiczne diody w 3-4 wybranych punktach
charakterystyki (kierunek przewodzenia i zaporowy); sformułować wnioski;
określić napięcia progowe lub napięcia Zenera badanych diod, porównać z danymi
katalogowymi;
wykreślić charakterystykę statyczną diody dla kierunku przewodzenia w skali
półlogarytmicznej (napięcie – liniowo, prąd – logarytmicznie); skomentować otrzymaną
zależność;
8
Katedra Automatyki i Elektroniki
Diody półprzewodnikowe
__________________________________________________________________________________________
sformułować wnioski, wynikające z badania wybranych układów z diodami
półprzewodnikowymi.
6. WYMAGANIA BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z
instrukcją BHP, obowiązującą w Laboratorium, oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych.
7. LITERATURA
1.
Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E. Pomiary przyrządów półprzewodnikowych,
WKiŁ, Warszawa, 1990.
2.
Marciniak W. Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT, 1984
3.
Polowczyk M., Klugman E. Przyrządy półprzewodnikowe, Wyd. Politechniki Gdańskiej,
2001
4.
Filipkowski A. Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe, WNT, 2006
5.
Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe, WNT, 2009.
9