Laboratorium elektroniki | Rok studiów: 4 Grupa: I |
---|---|
Członkowie zespołu:
|
Temat ćw.: Badanie układów diodowych |
Autor Sprawozdania: Grega Piotr |
Część teoretyczna.
Wstęp.
Dioda jest elektronicznym elementem półprzewodnikowym zbudowanym z obszarów typu N i typu P. warstwy N i P powstają z różnie domieszkowanych półprzewodników lub półprzewodnika i metalu. Dioda charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu w zależności od polaryzacji. Prąd IF płynie gdy potencjał dodatni zostanie podłączony do anody (obszar typu P) w przypadku podłączenia dodatniego bieguna napięcia do katody (obszar typu N) prąd IF nie płynie (płynie szczątkowy prąd IR).
Rys. 1. Polaryzacja złącza P-N.
Rodzaje i charakterystyka diod półprzewodnikowych.
Diody w zależności od zastosowania i wykorzystywanych zjawisk dzielimy na:
prostownicze i uniwersalne – stosowane w zasilaczach do prostowania napięcia przemiennego, przy ochronie układów przed odwrotną polaryzacją itd. W prostownikach w zależności od układu (prostownik jedno-połówkowy, dwu-połówkowy, Graetza) przepuszczają jedną lub dwie połówki napięcia przemiennego który w następnych układach jest filtrowany i wygładzany. Podstawowe parametry to:
maksymalne napięcie wsteczne; b)
maksymalny prąd przewodzenia;
maksymalny prąd chwilowy;
maksymalna moc wydzielana na diodzie.
a)
Rys. 2. Dioda prostownicza:
a) symbol b) charakterystyka prądowo-napięciowa.
stabilizacyjne (stabilistory, diody Zenera,) – diody Zenera spolaryzowane w kierunku przewodzenia zachowują się jak normalne diody. W kierunku przeciwnym ich głównym parametrem jest napięcie przebicia powyżej którego dioda zaczyna przewodzić. W stanie tym napięcie ulega niewielkim zmianom przy dużych zmianach natężenia prądu.
a) b)
Rys. 2. Dioda Zenera:
a) symbol b) charakterystyka prądowo-napięciowa.
tunelowe – dioda półprzewodnikowa, która dla pewnego zakresu napięć polaryzujących charakteryzuje się ujemną rezystancją dynamiczną, czyli spadkiem natężenia prądu wraz ze wzrostem napięcia.
a)
b)
Rys. 3. Dioda tunelowa:
a) charakterystyka prądowo-napięciowa b) symbol.
pojemnościowe (warikap) – wykorzystują zjawisko zmiany pojemności złącza P-N w zależności od zmian napięcia.
a) b)
Rys. 4. Dioda pojemnościowa:
a) charakterystyka pojemność-napięcie b) symbol
LED (elektroluminescencyjne) – dioda świecąca w paśmie widzialnym lub podczerwonym
Rys. 4. Symbol diody pojemnościowa.
Podstawowe parametry techniczne diod półprzewodnikowych.
Parametry diod półprzewodnikowych zależą od rodzaju. Na przykładzie diody prostowniczej podstawowe parametry diod to:
I0 – prąd znamionowy – maks. prąd w kierunku przewodzenia;
IR – prąd wsteczny;
UF – napięcie przewodzenia;
URWM – szczytowe wsteczne napięcie pracy;
Rys. 5. Parametry diody prostowniczej.
Istota działania ograniczników napięcia.
Ograniczniki napięcia są to układy ograniczające amplitudę sygnału wyjściowego. W zależności od kierunku tłumienia charakterystyki wyjściowej wyróżniamy ograniczniki jednostronne (niezniekształcające) - obcinające cześć sygnału przekraczającego ustalony poziom oraz dwustronne (wyłącznie ograniczające) obcinające cześć sygnału przekraczającego ustalony przedział).
Rys. 6. Charakterystyki przejściowe ogranicznika: a) niezniekształcającego
b) wyłącznie ograniczającego
Podstawowe układy pracy ograniczników diodowych.
Rys. 7. Ogranicznik diodowy równoległy: a) schemat układu jednostronnego
b) charakterystyka przejściowa.
Rys. 8. Ogranicznik diodowy równoległy: a) schemat układu obustronnego
b) charakterystyka przejściowa.
Rys. 8. Ogranicznik diodowy szeregowy: a) schemat układu
b) charakterystyka przejściowa.
Część praktyczna.
Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania diod półprzewodnikowych, zakresów pracy i zastosowań poszczególnych diod.
Spis przyrządów:
zasilacz regulowany;
miliamperomierz;
woltomierz;
płytka z badanymi diodami.
Badanie diody detekcyjnej, prostowniczej, stabilizacyjnej, LED (zielonej, pomarańczowej, zielonej) oraz IR spolaryzowanej w kierunku przewodzenia.
Schemat układu pomiarowego:
Rys. 8. Układ pomiarowy w kierunku przewodzenia.
Wyniki pomiarów:
Dioda detekcyjna | Dioda prostownicza | Dioda stabilizacyjna | Dioda LED | Dioda IR |
---|---|---|---|---|
Zielona | Pomarańczowa | |||
U [V] | I [mA] | U [V] | I [mA] | U [V] |
0,1 | 0 | 0,1 | 0 | 0,1 |
0,15 | 0,04 | 0,2 | 0 | 0,2 |
0,2 | 0,1 | 0,3 | 0 | 0,3 |
0,22 | 0,17 | 0,4 | 0,01 | 0,4 |
0,24 | 0,25 | 0,5 | 0,09 | 1 |
0,26 | 0,33 | 0,6 | 2,4 | 2 |
0,27 | 0,42 | 0,7 | 9,3 | 2,5 |
0,29 | 0,5 | 0,72 | 11,1 | 2,8 |
0,31 | 0,6 | 0,74 | 13,6 | 3,1 |
0,4 | 1,2 | 0,76 | 16,5 | 3,3 |
0,5 | 2,1 | 0,78 | 20,4 | 3,5 |
0,6 | 3 | 0,8 | 24,4 | 3,6 |
0,7 | 4 | 0,82 | 29,4 | 3,7 |
0,8 | 5,15 | 3,8 | ||
0,9 | 6,4 | 3,9 | ||
1 | 7,6 | 4 | ||
1,1 | 8,9 | 4,1 | ||
1,2 | 10,3 | 4,25 | ||
1,3 | 11,8 | 4,3 | ||
1,4 | 13,3 | 4,4 | ||
1,5 | 15 | 4,5 | ||
1,7 | 18,6 | 4,55 | ||
2 | 24,5 | 5 | ||
2,2 | 28 | 5,2 | ||
5,4 | ||||
5,6 | ||||
5,7 | ||||
5,8 | ||||
5,9 | ||||
6 |
Doświadczalne charakterystyki prądowo-napięciowe diod spolaryzowanych w kierunku przewodzenia:
Wykres 1. Charakterystyka I=f(U) diody detekcyjnej.
Wykres 2. Charakterystyka I=f(U) diody prostowniczej.
Wykres 3. Charakterystyka I=f(U) diody stabilizacyjnej.
Wykres 4. Charakterystyka I=f(U) diody LED zielonej.
Wykres 5. Charakterystyka I=f(U)) diody LED pomarańczowej.
Wykres 6. Charakterystyka I=f(U) diody LED czerwonej.
Wykres 7. Charakterystyka I=f(U) diody IR.
Napięcia progowe diody:
Detekcyjnej – UT0 det.= 0,4 V
Prostowniczej – UT0 prost. = 0,6 V
Stabilizacyjnej – UT0 stab.= 5,9 V
LED zielonej – UT0 LED= 1,8 V
LED pomarańczowej – UT0 LED= 1,8 V
LED czerwonej – UT0 LED= 1,77 V
IR – UT0 IR= 1 V
Wyznaczenie rezystancji statycznej i dynamicznej diody prostowniczej.
Wybrany punkt charakterystyki:
UF= 0,78 V, IF= 20,4 mA
Rezystancja statyczna:
$$R_{F} = \frac{U_{F}}{I_{F}} = \frac{0,78}{0,0204} = 38,23\mathrm{\Omega}$$
Rezystancja dynamiczna:
$$r_{F} = \frac{\text{ΔU}_{F}}{\Delta I_{F}} = \frac{U_{F2} - U_{F1}}{I_{F2} - I_{F1}} = \frac{0,8 - 0,78}{0,0244 - 0,0204} = \frac{0,02}{0,004} = 5\mathrm{\Omega}$$
Badanie diody stabilizacyjnej w kierunku zaporowym.
Schemat układu pomiarowego:
Rys. 9. Układ pomiarowy w kierunku zaporowym.
Wyniki pomiarów:
Dioda stabilizacyjna |
---|
U [V] |
2 |
2,5 |
3 |
3,2 |
3,4 |
3,6 |
3,7 |
3,8 |
4 |
4,25 |
4,5 |
4,7 |
4,9 |
5,2 |
5,5 |
5,6 |
5,7 |
5,8 |
5,9 |
6 |
6,1 |
6,2 |
6,3 |
Doświadczalne charakterystyki prądowo-napięciowe diod spolaryzowanych w kierunku zaporowym:
Wykres 8. Charakterystyka I=f(U) diody stabilizacyjnej w kierunku zaporowym.
Napięcie stabilizacji diody stabilizacyjnej: UZ stab.= 4,9 V
Wyznaczenie rezystancji statycznej i dynamicznej diody stabilizacyjnej.
Wybrany punkt charakterystyki:
UZ= 6 V, IF= 10,3 mA
Rezystancja statyczna:
$$R_{Z} = \frac{U_{Z}}{I_{Z}} = \frac{6}{0,0103} = 582,52\mathrm{\Omega}$$
Rezystancja dynamiczna:
$$r_{F} = \frac{\text{ΔU}_{Z}}{\Delta I_{Z}} = \frac{U_{Z2} - U_{Z1}}{I_{Z2} - I_{Z1}} = \frac{6,1 - 6}{0,014 - 0,0103} = \frac{0,1}{0,0037} = 27\mathrm{\Omega}$$
Wnioski.
Wykonywane ćwiczenie miało na celu zapoznanie z budową, zastosowaniem i parametrami różnych diod. Ćwiczenie zostało wykonane poprawnie, pomiary i ich wykresy zbliżone są do charakterystyk ideowych. Badane diody mają szerokie zastosowanie w elektronice, dioda prostownicza posiada stromą charakterystykę prądowo-napięciową i jest wykorzystywana w prostownikach i układach ograniczających. Z powodzeniem może być również używana jako zabezpieczenie układów przed podłączeniem napięcia o odwrotnej polaryzacji. Dioda detekcyjna wykorzystywana jest w radiotechnice przy detekcji i demodulacji sygnału w.cz. Diody te, co można zaobserwować na wyznaczonym wykresie, reagują na zmiany napięcia już od ok. 0,1V (standardowe diody krzemowe w stan przewodzenia przechodzą przy napięciu ok. 0,6V). Dużym atutem diod detekcyjnych jest możliwość pracy przy wysokich częstotliwościach. Charakterystyka diody LED wykazała ze prąd zaczyna gwałtownie rosnąc przy napięciu ok. 1,5V, w tym momencie dioda zaczyna świecić, a jasność świecenie zależy od natężenia prądu. Stroma charakterystyka świadczy również o malej rezystancji złącza co w przypadku diod LED stanowi niebezpieczeństwo uszkodzenia w przypadku braku rezystora ograniczającego.