KATEDRA ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI

LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI

INSTRUKCJA LABORATORYJNA

Ćwiczenie numer : 1

Temat: BADANIE DIOD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Bielsko-Biała 2005

Celem ćwiczenia jest :

• zapoznanie się z przebiegiem charakterystyk prądowo-

napięciowych diod różnych typów ,

• zapoznanie się z metodami aproksymacji charakterystyk ,

• poznanie parametrów diod .

Wiadomości podstawowe.

W rezultacie połączenia półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n otrzymamy element który z łatwością pozwala na przepływ ładunków w jednym kierunku, natomiast nie pozwala na przepływ tych ładunków w stronę przeciwną. To jest nasz pierwszy nieliniowy element:

Rys.1. Uproszczony fizyczny model diody oraz jej symbol

Elektrony swobodne dążą do rekombinacji ze swobodnymi elektronami...

Gdy zastosujemy zewnętrzne napięcie które ułatwi tą rekombinację (napięcie przewodzenia v_D>0) nośniki ładunków będą przepływały swobodnie.

Gdy zastosujemy zewnętrzne napięcie które będzie przeciwdziałać rekombinacji (napięcie wsteczne, v_D<0 ) przepływ nośników ładunków będzie ograniczony do zera.

Charakterystyka prądowo napięciowa diody:

Rys .2. Charakterystyka prądowo napięciowa dla diody

Do grupy dopuszczalnych parametrów granicznych należą:

• Prąd znamionowy w kierunku przewodzenia I_F(AV)M (jest to maksymalny średni prąd przewodzenia, czyli dopuszczalna wartość prądu stałego, który może płynąć przez diodę w kierunku przewodzenia,

• Szczytowe napięcie wsteczne pracy U_RWM (jest to wartość określona podczas pracy diody w układzie prostownika jednofazowego, jednopołówkowego, z obciążeniem rezystancyjnym, gdy f=50Hz),

• Powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I_FRM (jest to dopuszczalny prąd szczytowy, jaki może przepłynąć przez diodę, co okres przebiegu prostowanego, bez groźby jej zniszczenia),

• Powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U_RRM (jest to wartość napięcia, jakie może pojawić się na diodzie, co okres przebiegu prostowanego, bez groźby jej zniszczenia),

• Niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I_FSM (jest to wartość prądu, której nie można przekroczyć, nawet na krótko, pod groźbą zniszczenia diody),

• Niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne U_RSM (jest to wartość napięcia, której nie można przekroczyć, nawet na krótko, pod groźbą zniszczenia diody),

• Dopuszczalna moc wydzielana w diodzie P_totM (parametr ten jest ściśle związany z maksymalną dopuszczalną temperaturą złącza):

• dla diod germanowych

T_j=75^°C

• dla diod krzemowych

T_j=125^°C

Przebieg charakterystyki R = f(U) diody stanowi podstawę konstrukcji układu, który pozwoliłby na prawidłowy pomiar charakterystyki statycznej prądowo-napięciowej diody prostowniczej.

Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia posiada rezystancję bardzo małą. Stąd do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku przewodzenia wykorzystuje się tzw. układ dokładnego pomiaru napięcia (rys.3). W układzie tym woltomierz wskazuje dokładnie napięcie występujące na badanej diodzie. Natomiast amperomierz wskazuje sumę prądów: płynącego przez badaną diodę i przez woltomierz.

Ponieważ rezystancja diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia jest pomijalnie mała w stosunku do rezystancji woltomierza, wiec prąd płynący przez woltomierz jest pomijalnie mały w stosunku do prądu płynącego przez diodę.

Stąd można uznać, że amperomierz wskazuje prąd płynący przez badaną diodę.

Ze względu na znaczną rezystancję diody przy polaryzacji wstecznej, do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej w kierunku wstecznym wykorzystuje się tzw. układ dokładnego pomiaru prądu (rys. 4). W układzie tym amperomierz mierzy dokładnie prąd, który przepływa przez badaną diodę, zaś woltomierz - sumę spadków napięć na amperomierzu i na badanej diodzie. Ponieważ rezystancja wewnętrzna amperomierza jest pomijalnie mała w stosunku do rezystancji diody spolaryzowanej wstecznie, to jest pomijalnie mały również spadek napięcia na amperomierzu, w stosunku do spadku napięcia na diodzie.

Pomiary charakterystyk statycznych diod prostowniczych za pomocą woltomierza i amperomierza mają następujące wady: pomiary są długotrwałe, podczas pomiarów element badany nagrzewa się, więc zdjęta w ten sposób charakterystyka nie jest charakterystyką elementu badanego w jednej określonej temperaturze, nie można również przekroczyć mocy znamionowej elementu pod groźbą jego zniszczenia.

Układy są zasilane z zasilaczy stabilizowanych napięcia stałego, umożliwiających nastawienie żądanej wartości napięcia i zaprogramowanie dowolnej wartości prądu, wynikającego z katalogowych parametrów granicznych diody (zasilacze z automatycznie przełączaną stabilizacją napięcia lub prądu). Zabezpiecza to badane diody i zasilacz przed uszkodzeniem. Do pomiaru wartości napięcia I prądu mogą służyć przyrządy magnetoelektryczne: amperomierz, mikroamperomierz i woltomierz (mierniki uniwersalne).
Można stosować także mierniki elektroniczne analogowe lub cyfrowe napięcia i prądu stałego (multimetry).

Diody przeznaczone do badań .

- prostownicze D1 - DZG2 germanowa

D2 - 1N4001 krzemowa

- impulsowe D3 - AP 153 germanowa

D4 - BAP795 krzemowa

- Zenera D5 - BZPC7V5

D6 - BZPC10V

PRZED PRZYSTĄPIENIEM DO POMIARÓW NALEŻY ZAPOZNAĆ

SIĘ PARAMETRAMI KATALOGOWYMI BADANYCH DIOD

1. Pomiar charakterystyki przewodzenia U_F = f (I_F)

• połączyć układ pomiarowy dla kierunku przewodzenia rys.3.

• zmieniając napięcie zasilające od 0V do 1,0V co 0.1 V i dla każdej

jego wartości odczytać wartość prądu I_F.

Rys.3. Układ do pomiaru charakterystyki diody w kierunku przewodzenia .

UF , V	IF , mA
0
0,1
0,2
:

2. Pomiar charakterystyki przewodzenia U_R = f (I_R)

- połączyć układ pomiarowy dla kierunku zaporowego rys.4.

- zmieniając napięcie zasilające od 0V do 20V co 4V i dla każdej jego

wartości odczytać wartość prądu I_R.

Rys.4. Układ do pomiaru charakterystyki diody w kierunku zaporowym .

UR , V	IR nA(Si) , μA(Ge)
0
4
8
:

3. Wyznaczanie charakterystyk statycznych diod metodą oscyloskopową

Pomiar charakterystyk diod z wykorzystaniem oscyloskopu pozwala na wyeliminowanie wad jakie występowały w metodzie „ punkt po punkcie”. Dla jego poprawności konieczne jest sprawienie, aby różnica przesunięć fazowych wprowadzanych przez wzmacniacze X i Y oscyloskopu wynosiła zero dla częstotliwości od kilkudziesięciu do kilkuset Hz.

Aby sprawdzić czy ten warunek jest spełniony należy doprowadzić sygnał z generatora akustycznego do zwartych ze sobą wejść X i Y oscyloskopu. Na ekranie powinna być widoczna linia prosta pochylona.

Charakterystyka statyczna prądowo-napięciowa diody prostowniczej może być zdjęta z wykorzystaniem oscyloskopu elektronicznego w układzie jak na rysunku 5. Napięcie występujące na diodzie jest podawane na wejście X oscyloskopu, natomiast na wejście Y jest podawane napięcie z rezystora wzorcowego R_w, proporcjonalne do prądu płynącego przez diodę.

W zależności od wyboru rodzaju napięcia zasilającego (przełącznik P w położeniach a,b lub c) na ekranie można uzyskać charakterystykę prądowo-napięciową dla kierunku przewodzenia, wstecznego, bądź pełną charakterystykę tak dla kierunku przewodzenia jak i wstecznego.

Rys.5. Układ do oscyloskopowego pomiaru charakterystyk diod półprzewodnikowych

---