Instrukcja nr 3

Bogdan Olech
Mirosław Łazoryszczak
Dorota Majorkowska-Mech
Elektronika
Laboratorium nr 3
Temat:
Diody półprzewodnikowe
i elementy reaktancyjne
SPIS TREŚCI
Spis treści ................................................................................................................................................ 2
1. Cel ćwiczenia...................................................................................................................................... 3
2. Wymagania......................................................................................................................................... 3
3. Przebieg ćwiczenia ............................................................................................................................. 3
4. Podsumowanie ................................................................................................................................... 8
5. Literatura............................................................................................................................................. 8
Elektronika – Laboratorium nr 3
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest:
1. Wyznaczenie charakterystyki diody elektroluminescencyjnej
2. Wyznaczenie charakterystyki diody prostowniczej
3. Wyznaczenie przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem na kondensatorze a natężeniem
prądu płynącego przez kondensator w obwodzie prądu przemiennego
2. WYMAGANIA
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
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Zadanie nr 1
Wyznaczanie charakterystyki diody elektroluminescencyjnej
Wykorzystując regulowane źródła napięcia stałego (SUPPLY+), diodę LED oraz rezystor (1 kΩ,)
zbuduj układ według schematu przedstawionego na rys. 1. Następnie wykonaj pomiary potrzebne do
wykreślenia charakterystyki prądowo-napięciowej diody LED w kierunku przewodzenia (dłuższe
wyprowadzenie diody połączyć przez rezystor z biegunem dodatnim źródła napięcia). Napięcie
zasilania należy regulować w zakresie 0 – 12 V.
1. Zbuduj układ jak na rys. 1. Jako amperomierz wykorzystaj multimetr wirtualny
z platformy NI ELVIS II, zaś jako woltomierz zewnętrzny multimetr cyfrowy.
Rys. 1.
Schemat układu do badania charakterystyki diody LED
Strona 3 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 3
2. .Wykonaj 10 pomiarów napięcia na diodzie UD i natężenia prądu elektrycznego I
płynącego przez diodę. Wyniki wpisz do tabeli 1.
Tab. 1. Wyniki pomiarów dla diody LED
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
UD [V]
I [mA]
RD=UD/I [kΩ]
rD=∆UD/∆I [kΩ]
3. Zaobserwuj dla jakiego napięcia na diodzie zaczyna ona świecić.
4. (Zadanie domowe) Oblicz rezystancję statyczną z wyników każdego pomiaru, oraz
rezystancję dynamiczną z wyników każdych dwóch kolejnych pomiarów. Czy wartości
tych parametrów są stałe?
5. (Zadanie domowe) Wykonaj wykres zależności natężenia prądu płynącego przez diodę
LED od napięcia elektrycznego I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju
charakterystyki prądowo-napięciowej diody LED.
Zadanie nr 2
Wyznaczanie charakterystyki diody prostowniczej
Wykorzystując regulowane źródła napięcia stałego (SUPPLY+), diodę prostowniczą 1N4001
oraz rezystor (1 kΩ) zbuduj układ według schematu przedstawionego na rys. 2. Następnie wykonaj
pomiary potrzebne do wykreślenia charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej w
kierunku przewodzenia. Napięcie zasilania należy regulować w zakresie 0 – 12 V.
Rys. 2.
Schemat układu do badania charakterystyki diody prostowniczej w kierunku przewodzenia
1. Wykonaj 10 pomiarów napięcia na diodzie UD i natężenia prądu elektrycznego I płynącego
przez diodę. Wyniki wpisz do poniższej tabeli 2.
2. (Zadanie domowe) Oblicz rezystancję statyczną z wyników każdego pomiaru, oraz
rezystancję dynamiczną z wyników każdych dwóch kolejnych pomiarów. Czy wartości tych
parametrów są stałe?
3. (Zadanie domowe) Wykonaj wykres zależności natężenia prądu płynącego przez diodę
prostowniczą od napięcia elektrycznego I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju
charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej w kierunku przewodzenia.
Strona 4 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 3
Tab. 2. Wyniki pomiarów dla diody prostowniczej 1N4001 w kierunku przewodzenia
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
UD [V]
I [mA]
RD=UD/I [kΩ]
rD=∆UD/∆I [kΩ]
W zbudowanym układzie elektrycznym zmień ustawienie diody, tak jak to zostało
przedstawione na rys. 3. Następnie wykonaj pomiary potrzebne do wykreślenia charakterystyki
prądowo-napięciowej diody prostowniczej w kierunku zaporowym. Napięcie zasilania należy
regulować w zakresie 0 – 12 V.
Rys. 3.
Schemat układu do badania charakterystyki diody prostowniczej w kierunku zaporowym
4. Wykonaj 10 pomiarów napięcia na diodzie UD i natężenia prądu elektrycznego I płynącego
przez diodę. Wyniki wpisz do poniższej tabeli 3.
Tab. 3. Wyniki pomiarów dla diody prostowniczej 1N4001 w kierunku zaporowym
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
UD [V]
I [mA]
RD=UD/I [kΩ]
rD=∆UD/∆I [kΩ]
5. (Zadanie domowe) Oblicz rezystancję statyczną z wyników każdego pomiaru, oraz
rezystancję dynamiczną z wyników każdych dwóch kolejnych pomiarów. Czy wartości tych
parametrów są stałe?
Strona 5 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 3
6. (Zadanie domowe) Wykonaj wykres zależności natężenia prądu płynącego przez diodę
prostowniczą od napięcia elektrycznego I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju
charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej w kierunku zaporowym.
Zadanie nr 3
Obserwacja działania diody prostowniczej w obwodzie prądu przemiennego
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.
i
R=1k
uR
uD
u
Rys. 4.
Układ prądu przemiennego z szeregowym połączeniem rezystora i diody
1. Na pulpicie obsługi generatora FGEN wybierz sygnał sinusoidalny i ustaw jego parametry
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).
5. (Zadanie domowe). Podaj wnioski wynikające z obserwacji przebiegów napięcia na diodzie
i natężenia prądu płynącego w obwodzie.
Zadanie nr 4
Badanie kondensatora w obwodzie prądu przemiennego
Wykorzystując generator sygnałów FGEN z platformy NI ELVIS II, dostarczone przez
prowadzącego kondensator oraz rezystor zbuduj obwód prądu przemiennego według schematu na
rys. 5.
Strona 6 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 3
i
R
C
uR
uC
u
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
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.
Tab. 4. Przesunięcie pomiędzy napięciem i natężeniem prądu na kondensatorze
L.p.
f [Hz]
∆t [ µs]
T [µs]
ϕ [ °]
1.
2.
3.
7. (Zadanie domowe). Dla każdej częstotliwości oblicz przesunięcie fazowe ϕ pomiędzy
prądem płynącym przez kondensator a napięciem na kondensatorze korzystając z
zależności
ϕ
∆t
.
=
o
T
360
Czy przesunięcie fazowe ϕ zależy od częstotliwości f sygnału z generatora? Czy na
kondensatorze prąd wyprzedza napięcie, czy napięcie wyprzedza prąd?
Strona 7 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 3
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?
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?
4. PODSUMOWANIE
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)
5. LITERATURA
[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 8 z 8