ĆWICZENIE nr 15

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

I. DIODA

Najprostszą spośród lamp elektronowych jest lampa dwuelektrodowa, czyli dioda.

Dioda składa się. z bańki szklanej opróżnionej z powietrza do ciśnienia ok l O"

7

mm Hg. W

bańce są dwie elektrody: anoda w kształcie walca, wewnątrz którego znajduje się.

katoda w postaci albo metalowego drucika, albo rurki ogrzewanej prądem z osobnego

źródła. Podgrzana katoda emituje elektrony, które tworzą w pobliżu jej powierzchni

ujemny ładunek przestrzenny, tzn. chmurę, elektronową. Prąd może płynąć przez diodą

tylko wtedy, gdy potencjał anody wzglądem katody jest dodatni.

II. PÓŁPRZEWODNIKI

W półprzewodnikach elektrony mogą przesuwać się. wzdłuż całej masy

półprzewodnika lub mają możliwość przejścia jedynie między sąsiednimi atomami, ściślej od

atomu do sąsiedniego jonu dodatniego. W pierwszym przypadku przewodnictwo

nazywamy elektronowym (n), w drugim dziurowym (p). Dziurą nazywane jest istniejące

w atomie wolne miejsce, które może być zaje_te przez jakiś elektron. Dziura zachowuje

się. jak ładunek dodatni. W półprzewodnikach samoistnych pary elekron-dziura powstają

na skutek uzyskanej energii, np. cieplnej, czy świetlnej. Przewodnictwo czystego

półprzewodnika jest wiać mieszane: elektronowo-dziurowe.

Atomy domieszek wpływają na zwiększenie przewodnictwa jednego rodzaju. Jeśli np.

atomy domieszek mają więcej elektronów walencyjnych, niż atomy danego

półprzewodnika, zwiększa się. przewodnictwo elektronowe, jeśli mają mniej - zwiąksza się.

przewodnictwo dziurowe. Jeśli dwa półprzewodniki o odmiennych typach przewodnictwa

zostają ze sobą złączone, to elektrony, na skutek dyfuzji, przechodzą z obszaru n do p

(gęstość elektronów w półprzewodniku n jest większa niż w półprzewodniku p). W złączu

wytwarza się. więc kontaktowa różnica potencjałów: półprzewodnik n uzyskuje potencjał

dodatni, półprzewodnik p - ujemny. Wytworzone pole elektryczne zapobiega dalszemu

przechodzeniu elektronów. Warstwę, styku nazywamy warstwą zaporową. Warstwa ta

odznacza się przewodnictwem jednokierunkowym - elektrony mogą przechodzić tylko w

kierunku od półprzewodnika p do n. Jeśli przyłożymy pole zewnętrzne zgodne co do

kierunku z polem wytworzonym przez ładunki złącza - ruch elektronów praktycznie ustaje.

Przy przeciwnym kierunku przyłożonego pola, kontaktowa różnica potencjałów zmniejsza

się i elektrony przepływają. Jeżeli do złącza elektronowo-dziurowego przyłożymy zmienne

napięcie, to prąd w obwodzie zostanie wyprostowany. Warstwa zaporowa, tzn. złącze

elektronowo-dziurowe może powstać przy zetknięciu metalu- z półprzewodnikiem.

Zjawisko to wykorzystano w diodach krystalicznych.

III. UKŁADY PROSTOWNICZE

Dioda, bez względu na to, czy lampowa czy półprzewodnikowa, służy do

prostowania prądu przemiennego, czyli zmiany prądu dwukierunkowego na

jednokierunkowy. W każdym układzie prostowniczym można stosować diody lampowe lub

półprzewodnikowe. Ze względu na większy opór wewnętrzny lamp oraz ich większą

wytrzymałość na wysokie napięcie, diody lampowe stosujemy w układach, które

wymagają prądu o niewielkim natężeniu, przy wysokim napięciu zasilania, diody

półprzewodnikowe zaś stosujemy w układach, w których przepływa prąd o dużym

natężeniu, przy niewielkim napięciu zasilającym.

W ćwiczeniu zostanie zbadanych kilka układów prostowniczych, dobranych w ten

sposób, aby drogą kolejnych ich modyfikacji uzyskać prąd stały.

Prostowanie dwupołówkowe

Do pełnookresowego prostowania prądu zmiennego potrzebne są dwie diody, albo

duodioda oraz transformator posiadający uzwojenie z odczepem w środku (Rys. 1).

Rysunek l

Rysunek 2

Układ pracuje w ten sposób, że w ciągu każdego półokresu ru|piącia zasilającego

prąd przepływa tylko przez tą połowę, obwodu, w której potencjał dodatni wzglądem

środka uzwojenia transformatora przypada na anodą lampy prostowniczej.

Inny układ prostujący dwupołówkowo, to układ Graetza (Rys.2). Działa on

następująco: gdy potencjał punktu A jest dodatni (B-ujemny), to prąd płynie od punktu A

przez diodą l, opór obciążenia R, diodą 2 do punktu B. Gdy potencjał punktu A jest

ujemny (B-dodatni), prąd płynie od punktu B przez diodą 3, opór R (w tym samym

kierunku, co poprzednio), diodą 4 do punktu A.

Wygładzanie prądu wyprostowanego

Prąd płynący przez opór obciążenia R dołączony do prostownika

jednopołówkowego (Rys. 5 i 7), lub do prostownika dwupołówkowego (Rys. 6 i 10) jest

prądem jednokierunkowym, ale o zmiennym natężeniu (Rys. 3)

Prostowanie jednopołówkowe

Prostowanie

dwupołówkowe

Prąd pulsujący można wygładzić za pomocą kondensatora o dużej pojemności, lub

lepiej, za pomocą dwóch kondensatorów i dławika. Dławik jest to zwojnica nawinięta na

rdzeniu żelaznym, o dużym współczynniku samoindukcji L. Powstająca w nim siła

elektromotoryczna samoindukcji przeciwstawia się zmianie natężenią prądu, a tym samym

zmniejsza wahania tego natężenia. Taki układ (Rys. 9 i 11) działa następująco: w chwili

wzrostu napięcia na zaciskach transformatora, prąd płynący przez prostownik rozdziela

się na płynący przez opór R oraz prąd ładujący kondensatory. Gdy napięcie na zaciskach

transformatora zacznie zmniejszać się dzięki dużej pojemności kondensatorów i sile

elektromotorycznej samoindukcji, natężenie prądu płynącego przez opór R nie spadnie

do zera (Rys. 4).

i

Rysunek 4

CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

Prostownik jednopołówkowy na diodzie lampowej

220 V

Rysunek 5

1. Zestawić układ prostujący wg rysunku 5.

2. Włączyć oscylograf do zacisków (A, B) i narysować zaobserwowany przebieg

napięcia. Następnie włączyć oscylograf do zacisków oporu obciążenia R i

ponownie przerysować zaobserwowany przebieg napięć.

II. Prostownik dwupołówkowy na duodiodzie lampowej

Rysunek 6

1. Połączyć układ wg rysunku 6.

2. Włączyć oscylograf do zacisków oporu obciążenia R. Przerysować

zaobserwowany przebieg napiąć.

III Prostownik jednopołówkowy na diodzie krystalicznej

Rysunek 7

1. Zestawić układ wg rysunku 7.

2. Dołączyć, jak poprzednio (punkt I), oscylograf do zacisków transformatora (A, B) oraz

do oporu obciążenia R. Przerysować przebieg napięcie z ekranu oscylografu.

IV. Badanie układu wygładzającego pulsacją prądu wyprostowanego

Rysunek 8

1. Dołączyć do prostownika jednopołówkowego na diodzie krystalicznej

kondensator, równolegle do oporu obciążenia R (Rys. 8).

2. Dołączyć oscylograf do oporu obciążenia R i przerysować zaobserwowany

przebieg napięcia.

Rysunek 9

3. Do tego samego prostownika dołączyć układ wygładzający na dwóch

kondensatorach i dławiku (Rys. 9).

4. Dołączyć oscylograf do oporu obciążenia R i przerysować zaobserwowany

przebieg napięcia.

V

Prostownik dwupołówkowy na diodach krystalicznych

Rysunek 10

Prostowanie dwupołówkowe na diodach krystalicznych realizowane jest w układzie

Graetza (Rys. 10). Układ Graetza należy zbadać za pomocą oscylografu, podobnie

jak poprzednie układy prostownicze, tzn. dołączyć jego zaciski najpierw do zacisków

transformatora (A, B), a następnie do oporu obciążenia R. Przerysować

zaobserwowany przebieg napięcia.
Dołączyć kondensator, równolegle do układu prostownika z rysunku 10, a

oscylograf do opory obciążenia R. Przerysować przebieg napięcia

3. W celu lepszego wygładzenia pulsacji prądu, układ Graetza połączyć z układem

filtrującym (Rys. 11). Przerysować zaobserwowany przebieg napięcia.

VI Pomiar oporu wewnętrznego diody półprzewodnikowej

Rysunek 11

l. Układ prostowniczy z rysunku 11 zastosować jako źródło prądu stałego do

pomiarów oporów wewnętrznych diody. W tym celu zestawić obwód wg schematu

zamieszczonego na rysunku 12.

Rysunek 12

Do wykonania pomiarów napięcia i natężenia prądu użyć mierników

wmontowanych w tablicę. Zaciski Z

5

(+) i Z

6

(-) na tablicy oznaczają + i

- woltomierza.

Pomiary natężenia prądu przepływającego przez diodę w kierunku przewodzenia

(Rysunek 12) wykonujemy korzystając z zacisków Z

3

(+) i Z

4

(-). Pomiar natężenia

prądu przepływającego przez diodę w kierunku zaporowym -korzystając z

zacisków Z

7

(+) i Z8 (-). Należy zmierzyć:

- wartos'ci prądu i napięcia dla diody połączonej w kierunku przewodzenia

- wartos'ci prądu i napięcia dla diody połączonej w kierunku zaporowym

Wyniki zestawić w tabelce i obliczyć wartości R.

Sprawozdanie powinno zawierać:

1. Wykresy przerysowane z ekranu oscylografu.

2. Tabelkę z wynikami pomiarów i obliczeń.