POLITECHNIKA WROCŁAWSKA	Zofia Lenkiewicz 202343 Dorota Burdyna 202307 Maciej Kozak 202372 GRUPA 3	Kierunek ETK Rok studiów 2 Semestr IV letni Rok akademicki 2013/2014
LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI
Data ćwiczenia : 12.03.2014r	TEMAT: Diody półprzewodnikowe. Charakterystyki, modele, zastosowania.	Ocena
Numer ćwiczenia : 2

1. Cel ćwiczenia

Zbadanie charakterystyk statycznych diod półprzewodnikowych: uniwersalnej krzemowej, impulsowej Schottky’ego, Zenera – stabilistora oraz świecącej LED w zakresach przewodzenia, stabilizacji i zatkania. Sporządzenie ich charakterystyk. Poznanie i badanie układu stabilizatora parametrycznego z diodą Zenera.

2. Spis przyrządów

Przyrządy ze stanowiska nr 3:

• Źródło nastawne, typ ZNM-2/97

• Zasilacz mocy nastawny, typ ZNM-3/97A

• Multimetr – woltomierz METEX, typ MXD-4660A

• Multimetr – amperomierz, woltomierz, typ DT-380

Badane diody półprzewodnikowe:

• D1 dioda uniwersalna krzemowa, typ 1N4148

• D2 dioda impulsowa Schottky’ego, typ 1N5819

• D3 dioda Zenera – stabilistor, typ BZP683-C6V8

• D4 dioda świecąca LED w kolorze czerwonym

3. Charakterystyki przewodzenia diod

A. Schemat układu pomiarowego

B. Tabela pomiarowa

Lp.	IFznam [mA]	D1	D2	D3	D4
		UF [V]	IF [mA]	UF [V]	IF [mA]
1.	0,02	0,4259	0,0205	0,1076	0,0205
2.	0,2	0,5453	0,1997	0,1709	0,1998
3.	1	0,6299	1,001	0,2142	1,005
4.	2	0,6666	1,972	0,2325	1,996
5.	20	0,8064	19,98	0,2943	19,83

C. Wykresy

Wykres 1. I_F=f(U_F) w skali liniowej.

Wykres 2. I_F=f(U_F) w skali półlogarytmicznej.

D. Obliczenia

Przykładowe obliczenia dla diody uniwersalnej krzemowej D1 w okolicy punktu I_F=1,5 mA:

U_F = r_dI_F + U_TO

$\left\{ \begin{matrix} 0,6299\ V = r_{d} \bullet 1,001\ mA + U_{\text{TO}} \\ 0,6666\ V = r_{d} \bullet 1,972\ mA + U_{\text{TO}} \\ \end{matrix} \right.\ $

0, 0367 V = r_d • 0, 971 mA

$\left\{ \begin{matrix} r_{d} = 0,0378\ k\Omega \\ U_{\text{TO}} = 0,6666\ V - 0,0745\ V = 0,5921\ V \\ \end{matrix} \right.\ $

$R = \frac{U_{F}}{I_{F}} = \frac{0,6666\ V}{1,972\ mA} = 0,3380\ k\Omega$

$\frac{R}{r_{d}} = \frac{0,3380}{0,0378} = 8,94$

	D1	D2	D3	D4
rd[Ω]	37,8	18,5	17,7	52,6
UTO [V]	0,5921	0,1956	0,7044	1,6152
R[Ω]	338	213,2	373,2	1602,7
$$\frac{R}{r_{d}}$$	8,94	11,52	21,09	30,47

Dla diody D1:

$I_{F} = I_{S} e^{\frac{U_{F}}{M 26 10^{- 3}}}$

$\left\{ \begin{matrix} 1,972 10^{- 3} = I_{S} e^{\frac{0,6666}{M 26 10^{- 3}}} \\ 0,1997 10^{- 3} = I_{S} e^{\frac{0,5453}{M 26 10^{- 3}}} \\ \end{matrix} \right.\ $

$9,88 = e^{\frac{0,1213}{M 26 10^{- 3}}}$

$2,29 = \frac{0,1213}{M 26 10^{- 3}}$

$M = \frac{0,1213}{2,29 26 10^{- 3}} = 2,04$

$1,972 10^{- 3} = I_{S} e^{\frac{0,6666}{2,04 26 10^{- 3}}}$

1, 97210⁻³ = I_Se^12, 57

$I_{S} = \frac{1,972 10^{- 3}}{2,88 10^{5}} = 0,69\ nA$

Dla diody D4:

$I_{F} = I_{S} e^{\frac{U_{F}}{M 26 10^{- 3}}}$

$\left\{ \begin{matrix} 1,970 10^{- 3} = I_{S} e^{\frac{1,7188}{M 26 10^{- 3}}} \\ 0,1997 10^{- 3} = I_{S} e^{\frac{1,5775}{M 26 10^{- 3}}} \\ \end{matrix} \right.\ $

$9,87 = e^{\frac{0,1413}{M 26 10^{- 3}}}$

$2,29 = \frac{0,1413}{M 26 10^{- 3}}$

$M = \frac{0,1413}{2,29 26 10^{- 3}} = 2,37$

$1,970 10^{- 3} = I_{S} e^{\frac{1,7188}{2,37 26 10^{- 3}}}$

1, 97010⁻³ = I_Se^27, 89

$I_{S} = \frac{1,970 10^{- 3}}{1,30 10^{12}} = 1,52 \bullet 10^{- 15}\text{\ A}$

E. Uwagi

Dioda świecąca LED dla punktu pomiarowego (I_F=0,1997 mA; U_F=1,5775 V) zaczęła emitować światło, natomiast dla punktu (I_F=19,94 mA; U_F=2,147 V) zaczęła świecić wyraźnie.

4. Charakterystyka stabilizacji diody Zenera

A. Schemat układu pomiarowego

B. Tabela pomiarowa

Lp.	URZ [V]	IRZznam [V]	IRZ [mA]
1.	6,676	0,2	0,1992
2.	6,687	1	1,001
3.	6,698	2	1,999
4.	6,729	5	5,03
5.	6,771	10	10,05
6.	6,904	30	30,0
7.	7,027	50	49,9

C. Wykres charakterystyki stabilizacji diody Zenera

D. Obliczenia

W okolicy punktu I_RZ=1,5 mA:

U_RZ = r_zI_RZ + U_Z

$\left\{ \begin{matrix} 6,698\ V = r_{z} \bullet 1,999\ mA + U_{Z} \\ 6,687\ V = r_{z} \bullet 1,001\ mA + U_{Z} \\ \end{matrix} \right.\ $

0, 011 V = r_z • 0, 998 mA

$\left\{ \begin{matrix} r_{z} = 0,0110\ k\Omega \\ U_{Z} = 6,687\ V - 0,011\ V = 6,676\ V \\ \end{matrix} \right.\ $

$R = \frac{U_{\text{RZ}}}{I_{\text{RZ}}} = \frac{6,698\ V}{1,999\ mA} = 3,3507\ k\Omega$

$\frac{R}{r_{z}} = \frac{3,3507}{0,0110} = 304,61$

5. Charakterystyki zatkania diod

A. Schemat układu pomiarowego

B. Tabela pomiarowa

Lp.	URznam [V]	D1	D2	D3	D4
		UR [V]	IR [µA]	UR [V]	IR [µA]
1.	0,2	-	<0,01	0,19305	0,30
2.	0,5	-		0,5022	0,33
3.	1	-		1,0047	0,36
4.	5	5,030		5,076	0,57

C. Uwagi

Pomiary rozpoczęliśmy od najwyższej wartości napięcia. We wszystkich, oprócz diody Schottky’ego, przypadkach stosowanym przez nas amperomierzem nie można było zmierzyć tak małych wartości prądów, jakie występowały w układzie. Gdy dla najwyższej wartości napięcia przyrządem nie dało się zmierzyć prądu, nie kontynuowaliśmy pomiarów dla niższych wartości.

6. Parametryczny stabilizator napięcia

A. Schemat układu pomiarowego

B. Tabela pomiarowa

RL [Ω]	Uiznam [V]	11	13	15	17
	Ui [V]	11,01	13,01	15,00	17,02
∞	Uo [V]	6,840	6,904	6,968	7,021
1500	Uo [V]	6,819	6,884	6,948	7,010
820	Uo [V]	6,792	6,857	6,922	6,987
470	Uo [V]	6,749	6,816	6,876	6,940

C. Obliczenia

U_R = U_i − U_o = 15, 00 V − 6, 922 V = 8, 078 V

$I_{o} = \frac{U_{o}}{R_{L}} = \frac{6,922\ V}{820\Omega} = 8,44\ mA$

I_RZ = 33, 60 mA ; (I_RZ = 142, 44 • 6, 922 − 952, 37) – odczytane z wykresu charakterystyki stabilizacji diody Zenera,

$R = \frac{U_{R}}{I_{i}} = \frac{U_{R}}{I_{\text{RZ}} + I_{o}} = \frac{8,078\ V}{33,60\ mA + 8,44\ mA} = 192\Omega$

R_o ≈ r_z

Obliczam r_z w pobliżu punktu I_RZ = 33, 60 mA:

U_RZ = r_zI_RZ + U_Z

$\left\{ \begin{matrix} 6,904\ V = r_{z} \bullet 30,0\ mA + U_{Z} \\ 7,027\ V = r_{z} \bullet 49,9\ mA + U_{Z} \\ \end{matrix} \right.\ $

0, 123 V = r_z • 19, 9 mA

r_z = 6Ω

R_o = 6Ω

$G_{u} = \frac{r_{z}}{R} = \frac{6\Omega}{192\Omega} = 0,031\frac{V}{V}$

$S_{u} = \frac{r_{z}U_{i}}{RU_{o}} = \frac{6\Omega \bullet 15,00\ V}{192\Omega \bullet 6,922\ V} = 0,07\%$

P_i = U_iI_i = 15, 00 V • (33,60 mA+8,44 mA) = 0, 63 W

P_D = U_oI_RZ = 6, 922 V • 33, 60 mA = 0, 23 W

P_R = U_RI_i = 8, 078 V • (33,60 mA+8,44 mA) = 0, 34 W

P_o = U_oI_o = 6, 922 V • 8, 44 mA = 0, 06 W

$\eta = \frac{P_{o}}{P_{i}} \bullet 100\% = \frac{0,06\ W}{0,63\ W} \bullet 100\% = 9,52\%$

D. Wykresy

Wykres 1. Charakterystyka U_o=f(U_i) z parametrem R_L.

Wykres 2. Charakterystyka U_o=f(1/R_L) z parametrem U_i.

Wykres 3. Zależności prądów w układzie od napięcia wejściowego.

Wykres 4. Zależność mocy w obwodzie od napięcia wejściowego.

Wykres 5. Wykres zależności prądów w obwodzie od odwrotności rezystancji obciążenia.

Wykres 6. Zależność mocy w obwodzie od odwrotności rezystancji obciążenia.

E. Uwagi

Podczas pomiarów odczytów dokonywaliśmy po ok. 15 sekundach w celu odczekania na ustabilizowanie się napięcia.

7. Wnioski

• Charakterystyki przewodzenia diod uniwersalnej krzemowej, Schottky’ego i Zenera są funkcjami wykładniczymi. Ilustrują to wykresy i podane na nich równania. Na wykresie o skali półlogarytmicznej charakterystyki tych diod są liniami prostymi, co również świadczy o ich wykładniczym charakterze.

• Charakterystyka diody świecącej LED w kolorze czerwonym nie jest wykładnicza. Jeśli jednak pominiemy pomiar napięcia dla I_F=20 mA, można uznać ją za w przybliżeniu wykładniczą.

• Wykres charakterystyki stabilizacji diody Zenera przebiega niemal liniowo, co jest zgodne z charakterystyką teoretyczną tej diody dla zakresu przebicia – stabilizacji. Wykres nachylony jest do osi odciętych zgodnie ze współczynnikiem 1/r_z. Wyznaczone z pomiarów opory r_z należą do przedziału (6÷11)Ω, a więc współczynnik kierunkowy równania opisującego wykres (142,44) mieści się w przedziale 1/r_zє(91;167).

• Prądy I_s dla diod uniwersalnej i LED wyznaczone z uproszczonego równania Shockley’a zgadzają się z warunkiem sprawdzonym przez nas doświadczalnie w układzie do badania charakterystyki zatkania. Są jednak o wiele rzędów mniejsze niż prądy możliwe do zmierzenia używanym przez nas przyrządem, więc nie jesteśmy w stanie stwierdzić z jaką dokładnością oba wyniki się pokrywają.

• Parametry stabilizatora napięcia wyliczone na podstawie pomiarów układu oraz charakterystyki stabilizacji diody Zenera odbiegają od wyników otrzymanych z wzorów teoretycznych. Współczynniki stabilizacji są mniejsze o ponad 50%, rezystancja wyjściowa o 25%, moc źródła o 37%. Rozbieżności te wynikają ze znacznej różnicy pomiędzy parametrami nominalnymi diody przyjętymi w obliczeniach teoretycznych a zmierzonymi rzeczywistymi parametrami oraz z zastosowanych przybliżeń.

• Wszystkie zależności stabilizatora napięcia są liniowe i wynika z nich, że ze wzrostem napięcia na wejściu: rośnie napięcie na wyjściu, rośnie prąd na diodzie, a prąd na wyjściu praktycznie się nie zmienia, rośnie moc w obwodzie. Ze spadkiem rezystancji obciążenia: maleje napięcia na wyjściu, maleje prąd na diodzie, ale rośnie na wyjściu, moc praktycznie nie ulega zmianie (nieznacznie maleje).