POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI PRZEMYSŁOWEJ Zakład Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej
Laboratorium Podstaw Telekomunikacji   Ćwiczenie nr 4   Temat: Diody
Rok akademicki:   Wydział Elektryczny   Studia II stopnia   Nr grupy:	Wykonawcy:   1. 2. 3. 4. 5. 6.	Data
				Wykonania ćwiczenia	Oddania sprawozdania
				Ocena:
Uwagi:

 

1. Wiadomości teoretyczne

Diody są elementami nieliniowymi. Zależność pomiędzy płynącym prądem przez diodę a spadkiem napięcia na niej jest nieliniowa (charakterystyka prądowo-napięciowa nie jest linią prostą). Nieliniowość tej charakterystyki jest zależna od rodzaju diody tzn. od wartości i zwrotu prądu bądź od napięcia występującego na jego zaciskach.

Dla obwodów nieliniowych określa się dwa typy rezystancji: rezystancja statyczna i dynamiczna. Obie rezystancje nie mają stałej wartości, lecz zależą od punktu pracy diody tzn. od wartości płynącego prądu i spadku napięcia. Rezystancję statyczną definiuje się jako:

gdzie: U_d, I_d - napięcie i prąd diody (rys. 1.1).

Rezystancję dynamiczną określa zależność:

gdzie: ΔU_d, ΔI_d - przyrosty napięcia i prądu w pobliżu punktu pracy (rys. 1.1).

Na rys. 1.1 przedstawiono graficzną interpretację rezystancji statycznej i dynamicznej.

Rys. 1.1. Graficzna interpretacja rezystancji statycznej i dynamicznej.

Rodzaje diod półprzewodnikowych: prostownicza, impulsowa, pojemnościowa, tunelowa (Esakiego), elektroluminescencyjna (LED), dioda superluminescencyjna (SLD), Zenera (stabilistor), Gunna.

Dioda prostownicza

Symbol diody prostowniczej

gdzie, A - anoda, K - katoda.

Jeżeli do anody płyłożymy wyższy potencja niż do katody, to mówimy, że dioda jest spolaryzowana w kierunki przewodzenia.

Na rysunku 1.2 przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową diody półprzewodnikowej prostowniczej. Jeżeli dioda spolaryzowana jest w kierunku przewodzenia, to początkowo płynie przez nią niewielki prąd proporcjonalny do napięcia. Po przekroczeniu tzw. napięcia przewodzenia U_F wartość tego prądu gwałtownie wzrasta (rezystancja diody maleje do wartości ułamków ohma). Napięcie przewodzenia diody U_F określa się przy prądzie przewodzenia I_F = 0,1I_Fmax. Dla diody krzemowej jest to wartość napięcia z przedziału od 0,5 do 0,8 V. Jeżeli dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym (potencjał anody jest niższy niż katody), to prąd płynący przez diodę jest tzw. prądem wstecznym. Jest on o kilka rzędów mniejszy od prądu przewodzenia i dlatego często przyjmuje się, że jest on równy zero. Po przekroczeniu pewnej wartości napięcia wstecznego następuje przebicie diody i jej zniszczenie. Następuje to przy tzw. maksymalnym napięciu wstecznym U_Rmax (rys. 1.2). Ten tryb pracy diody wykorzystuje się w diodach Zenera

Rys. 1.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody prostowniczej.

Dioda Zenera (stabilistor)

Symbol diody Zenera

Napięcie przebicia przy polaryzacji ujemnej wykorzystuje się w diodach Zenera. W celu ograniczenia wartości dopuszczalnej prądu należy szeregowo z diodą Zenera włączyć np. rezystor. Napięcie Zenera zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu. To zjawisko wykorzystuje się do stabilizacji napięcia. Stabilizacja napięcia na diodzie Zenera polega na tym, że dużym zmianom prądu diody ΔI_DZ (rys. 1.3) odpowiadają bardzo małe zmiany spadku napięcia ΔU_DZ. Diody Zenera produkuje się je na napięcia od 1,5 do 200 V.

Rysunek 1.3 przedstawia charakterystykę prądowo-napięciową diody Zenera.

Rys. 1.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Zenera.

Dioda Zenera spolaryzowana jest w kierunku przewodzenia, ma charakterystykę prądowo napięciową podobną do diody prostowniczej.

Dioda elektroluminescencyjna LED

symbol

Dioda elektroluminescencyjna (świecąca) używana jest w układach sygnalizacji. W normalnym stanie pracy spolaryzowana jest w kierunku przewodzenia. Napięcie przebicia diody LED przy polaryzacji zaporowej jest znacznie niższe niż diody półprzewodnikowej. Napięcie przewodzenia U_F, przy którym prąd zaczyna gwałtownie rosnąć jest wyższe niż dla diody prostowniczej. Jednym z parametrów diody LED jest wartość prądu znamionowego, musi ona być połączona szeregowo z rezystorem, aby nie przekroczyć tej wartości.

Barwa promieniowania zależy od rodzaju zastosowanego materiału np. stosując azotek galu otrzymuje się barwę niebieską; fosforek galu - czerwoną, zielona i żółtą. Diody LED produkowane są w różnych wielkościach i kształtach obudów. W większości przypadków kolor obudowy odpowiada barwie emitowanego światła.

Na rysunku 1.4 przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową diody LED.

Rys. 1.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody LED.

Warystor

symbol

Warystor to półprzewodnikowy podzespół elektroniczny o nieliniowej charakterystyce prądowo napięciowej, zależnej od wartości napięcia. Charakterystykę ta jest podobna do charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym, przy czym jest ona niesymetryczna, tzn., I(U)=-I(-U). Aż do napięcia charakterystycznego (napięcia warystora), kiedy prąd jest bardzo mały, mniejszy od 1 mA, warystor ma wtedy bardzo dużą rezystancję. Po przekroczeniu napięcia progowego warystora, przepływający prąd wzrasta w sposób logarytmiczny tzn. wartość rezystancji bardzo szybko maleje. Warystory można stosować zarówno ochrony obwodów prądu stałego jak i przemiennego. Bardzo wysokie przepięcie zmniejsza rezystancję warystora od 0,1 - 50 Ω w zależności od wartości piku napięciowego. Parametrami warystora są maksymalne napięcie pracy ciągłej, maksymalna energia wydzielona na warystorze (zwykle w czasie 2 ms), maksymalny impuls prądu w czasie 8/20 s, (gdzie 8 s to czas narastania impulsu, 20 s to czas trwania impulsu od jego początku do 50% wartości maksymalnej przy jego opadaniu).

Warystory mają zastosowanie m. in. do zabezpieczanie urządzeń przed przepięciami, w liniach telefonicznych do zabezpieczania telefonów, modemów i innych urządzeń podłączonych do linii telefonicznej,

Na rysunku 1.5 przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową warystora.

Rys. 1.5. Charakterystyka prądowo-napięciowa warystora.

2. Przebieg ćwiczenia

2.1. Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej diody prostowniczej

2.1.1. Schemat połączeń

R = 2 Ω

Dane znamionowe diody: U_RmaxDC = 100 V, U_RmaxAC = 70 V, I_FN = 6 A

2.1.2. Przebieg pomiarów

Połączyć układ pomiarowy według schematu zamieszczonego w pkt. 2.1.1. Pomiary wykonać dla diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia zmieniając wartość napięć zasilających tak, aby wartość prądu nie przekroczyła wartości znamionowej diody prostowniczej oraz w kierunku zaporowym do znamionowego napięcia wstecznego diody. Odczytać wskazania mierników, a wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 1.1a oraz 1.1b.

2.1.3. Wyniki pomiarów

Dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia

Tabela 1.1a

Lp.	UZ	Ip	Up
		[V]	[A]	[V]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

Dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym

Tabela 1.1a

Lp.	UZ	ID	UD
		[V]	[μA]	[V]
1
2
3
4
5

2.2. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej diody LED

2.2.1. Schemat połączeń układu pomiarowego

R = 1450 Ω I_LEDN = 20 mA

2.2.2. Przebieg pomiarów

Połączyć układ pomiarowy według schematu zamieszczonego w punkcie 2.2.1. Pomiary wykonać tylko dla diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia dla napięć zasilających takich, aby prąd płynący przez diodę nie był większy niż 25 mA. Odczytać wskazania mierników, a wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 1.2. W czasie pomiarów zaobserwować dla jakiej wartości napięcia przewodzenia dioda zaczyna świecić.

2.2.3. Wyniki pomiarów

Tabela 1.2

Lp.	UZ	ILED	ULED	Uwagi
		[V]	[A]		[V]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

2.3. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej diody Zenera

2.3.1. Schemat połączeń układu pomiarowego

R = 500 Ω I_DZN = 45 mA, U_ZN = 5,1 V

2.3.2. Przebieg pomiarów

Połączyć układ pomiarowy według schematu zamieszczonego w punkcie 2.3.1. Pomiary wykonać dwuwariantowo:

1. dla diody Zenera spolaryzowanej w kierunku przewodzenia zmieniając wartość napięć zasilających tak, aby prąd płynący przez diodę Zenera nie przekroczył wartości znamionowej,

2. dla diody Zenera spolaryzowanej w kierunku zaporowym zmieniając wartość napięć zasilających tak, aby wartość prądu płynącego przez diodę nie była większa niż 55 mA.

Odczytać wskazania mierników, a wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 1.3a (kierunek przewodzenia diody) oraz 1.3b (kierunek zaporowy diody).

2.3.3. Wyniki pomiarów

Dioda Zenera spolaryzowana w kierunku przewodzenia.

Tabela 1.3a

Lp.	UZ	IDZ	UDZ
		[V]	[A]	[V]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

Dioda Zenera spolaryzowana w kierunku zaporowym

Tabela 1.3b

Lp.	UZ	IDZ	UDZ
		[V]	[A]	[V]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

2.4. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej warystora przy zasilaniu napięciem przemiennym

2.4.1. Schemat połączeń układu pomiarowego

R = 10,7 kΩ U_WN = 22 V

2.4.2. Przebieg pomiarów

Połączyć układ pomiarowy według schematu zamieszczonego w punkcie 2.4.1. Pomiary wykonać zmieniając wartość napięcia zasilającego tak, aby prąd płynący przez warystor nie przekroczył wartości 10 mA. Odczytać wskazania mierników, a wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 1.4.

2.4.3. Wyniki pomiarów

Tabela 1.4

Lp.	UZ	IW	UW
		[V]	[A]	[V]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

2.5. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej warystora przy zasilaniu napięciem stałym

2.5.1. Schemat połączeń układu pomiarowego

R = 300 Ω

2.5.2. Przebieg pomiarów

Połączyć układ pomiarowy według schematu zamieszczonego w punkcie 2.5.1. Pomiary wykonać dla dwóch biegunowości napięcia zasilającego zmienianego tak, aby prąd nie przekraczał wartości 10 mA.

Odczytać wskazania mierników, a wyniki pomiarów zamieścić w tabelach 1.5a (+U_Z), 1.5b (-U_Z).

Dodatni kierunek napięcia zasilającego

Tabela 1.5a

Lp.	UZ	IW	UW
		[V]	[A]	[V]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Zmiana biegunowości napięcia zasilającego

Tabela 1.5b

Lp.	UZ	IW	UW
		[V]	[A]	[V]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

3. Wnioski i uwagi końcowe

3.1. Narysować charakterystyki prądowo-napięciowe dla wszystkich diód badanych w ćwiczeniu.

3.2. Obliczyć rezystancję dynamiczną wykorzystując wszystkie punkty pomiarowe poszczególnych odbiorników.

3.3. Narysować charakterystyki przedstawiające rezystancje dynamiczne w funkcji spadku napięcia na danej diodzie R_dyn = f(U_odb).

3.4. Dokonać analizy przebiegów charakterystyk prądowo-napięciowych oraz rezystancji dynamicznych dla wszystkich elementów.

3.5. Przedstawić wnioski i uwagi dotyczące przeprowadzonego ćwiczenia.

4. Parametry i dane znamionowe zastosowanych urządzeń i mierników

11

---