Piotr LUDWIKOWSKI
2009/2010Fizyka	12 października 2009
Czwartek, 13:00	dr J. Rudzińska-Girulska

POMIARY OSCYLOSKOPOWE

1. Sprawdzenie kalibracji podziałki:

Lp.	Napięcie maksymalne Umax,V	Napięcie skuteczne $\mathbf{U}_{\mathbf{\text{sk}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\max}}}{\sqrt{\mathbf{2}}}$ , V	Czas jednego okresu T, s	Częstotliwość f, Hz
1.	10	7,1	0,020	50

1. Obserwacja napięcia przemiennego po prostowaniu dwupołówkowym:

Lp.	Napięcie maksymalne Umax,V	Napięcie skuteczne $\mathbf{U}_{\mathbf{\text{sk}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{2 \bullet}\mathbf{U}_{\mathbf{\max}}}{\mathbf{\pi}}$ , V	Czas jednego okresu T, s	Częstotliwość f, Hz
1.	8	5,1	0,040	100

1. Obserwacja napięcia przy przejściu przez diodę prostującą:

Lp.	Napięcie maksymalne Umax,V	Napięcie średnie wyprostowane $\mathbf{U}_{\mathbf{\text{sr}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\max}}}{\mathbf{\pi}}$ , V	Czas jednego okresu T, s	Częstotliwość f, Hz
1.	11	3,5	0,020	50

TEORIA

Półprzewodniki są to substancje o przewodności elektrycznej mniejszej niż przewodność metali, ale większej od większości izolatorów. W modelu pasmowym charakteryzują się istnieniem przerwy energetycznej oddzielającej pasmo walencyjne od pasma przewodnictwa o szerokości do 1eV. Charakteryzują się również tym że ze wzrostem temperatury maleje ich opór elektryczny. Przykładem półprzewodników są krzem i german jak i związki pierwiastków grup trzeciej i piątej lub drugiej i szóstej układu okresowego. Przez domieszkowanie można otrzymać półprzewodniki domieszkowe. Poprzez domieszkowanie trójwartościowym pierwiastkiem otrzymujemy typ akceptorowy. W przerwie energetycznej samoistnego półprzewodnika pojawiają się poziomy akceptorowe tuż ponad górną granicą pasma walencyjnego, co powoduje zwężenie przerwy energetycznej. Dzięki temu elektrony z pasma walencyjnego mogą przejść do pustych stanów akceptorowych (nazywanych dziurami). Dziury mogą przenosić dodatni ładunek elektryczny. Są to półprzewodniki typu p.

Półprzewodniki donorowe powstają przez domieszkowanie atomami z piątej grupy układu okresowego. Uzyskamy pojawienie się w przerwie energetycznej, tuz pod dnem pasma przewodzenia poziomów donorowych. Elektrony z tych poziomów łatwo mogą przechodzić do pasma przewodzenia. Są to półprzewodniki typu n.

Złącze półprzewodnikowe p-n to złącze prostujące na styku dwóch półprzewodników o różnym stopniu przewodnictwa. Zrobione jest z półprzewodnika typu n w jednej części zmienionego w p. typu p. Otrzymujemy parę nośników elektron dziurę. Powstają poprzez przeskok elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. Zaistnieje też proces rekombinacji – zanikania nośników prądu w półprzewodniku na skutek ich połączenia się lub połączenia z jonem przeciwnego znaku. Towarzyszy temu wydzielanie energii.

Przez ustalenie się równowagi między rekombinacji i tworzenia się nośników powstaną nośniki mniejszościowe, liczba ich uzależniona jest od temperatury. Po zetknięciu się obu części zacznie się wyrównywać stężenie nośników we wszystkich pasmach przewodzenia. Z części p popłyną dziury do n w paśmie podstawowym, a w paśmie przewodnictwa elektrony przepłyną z n do p. Półprzewodnik p ładuje się ujemnie, a typu n dodatnio aż do wyrównania poziomów Fermiego w złączu. Ustala się równowaga dynamiczna w której w paśmie przewodnictwa prąd większościowy płynie I_en z półprzewodnika n do p i równy jest prądowi mniejszościowemu I_ep płynącemu z p do n. W paśmie podstawowym prąd większościowy z dziur I_dp płynie od p do n. W przeciwnym kierunku płynie prąd I_dn równy co do wartości.

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody Se i Si charakteryzuje się tym że w kierunku wstecznym (zaporowym) przewodzenie jest wzbronione. W kierunku przewodzenia następuje wykładniczy wzrost funkcji.

Prostownik służy do zamiany energii z zasilającego prądu zmiennego na energię prądu stałego. W prostych układach zasilających na wyjściu otrzymuje się napięcie jednokierunkowe o amplitudzie zmieniającej się okresowo w czasie. Układy bardziej rozbudowane składają się dodatkowo transformatory, filtry, stabilizatory. Pomaga to w odpowiednim doborze napięcia na wyjściu. Dla takiego układu poniższe wykresy przedstawiają typowe przebiegi czasowe działającego układu:

Obraz taki możemy zaobserwować włączając do układu oscylator katodowy. Jest to urządzenie którego głównym elementem jest lampa oscyloskopowa, lampa próżniowa zaopatrzona w wyrzutnię elektronową służącą do uformowania wiązki elektronowej i dwóch par płytek odchylających wiązkę w pożądanym kierunku dzięki przyłożonemu do nich napięciu. Elektrony padają na ekran luminescencyjny powodując świecenie. Sposób ten wizualizuje nam pomiary.

Przy zastosowaniu mniejszych mocy wykorzystuje się prostowniki jednopołówkowe (półfalowe). Co drugi półokres sygnału wejściowego jest przenoszony na wyjście. Przy prądach większych stosuje się prostowniki w doskonalszy sposób wykorzystujące przebieg wejściowy. Są to przyrządy typu dwupołówkowego (całofalowego ). Przy wielkich prądach korzysta się prostowniki wielofazowe.

Napięcie maksymalne odpowiada największej wartości amplitudy prądu zmiennego. Napięcie skuteczne odpowiada amplitudzie napięcia zmiennego (opisanego funkcją sinus lub cosinus) podzielonej przez √2. Odpowiada ono napięciu prądu stałego, który powoduje wydzielenie się na oporniku takiej samej mocy dla danego prądu zmiennego.

OPRACOWANIE WYNIKÓW:

1. Prąd zmienny

Wykres prądu zmiennego wg wskazań oscyloskopu:

Ponieważ widać, że maksymalne napięcie wynosi w tym przypadku 10 V, korzystając ze wzoru i dzieląc przez pierwiastek z dwóch, otrzymujemy napięcie skuteczne = 12,7 V. Jak widać, częstotliwość napięcia wynosi 1 okres na 20 ms, czyli 50 Hz.

1. Przebieg prądu prostowanego dwupołówkowo:

W tym przypadku maksymalne napięcie wynosi 8 V, a wartość średnia wyprostowana 2∙8/π = 5,1 V. Ponieważ tutaj obie połowy sinusoidy znajdują się po jednej stronie osi, częstotliwość napięcia zwiększyła się dwa razy, do 100 Hz.

1. Przebieg prądu prostowanego jednopołówkowo:

W tym przypadku maksymalne napięcie wynosi 11 V. Napięcie średnie wyprostowane wynosi 11/π = 3.5 V. Częstotliwość w tym przypadku także wynosi 50 Hz.

1. Charakterystyka prądowo-napięciowa diody krzemowej i selenowej.

Zgodnie ze wcześniej podanym wzorem, wartość prądu została wyliczona jako

$$I = \frac{1\ V/div}{80\ \Omega} \bullet 10^{3} = 12,5\frac{\text{mA}}{\text{podz}}.$$

1. Pomiar przesunięcia fazowego między napięciem i natężeniem:

Oto kilka pomiarów wielkości A, a, B, b:

	A	a	B	b
0,5 kΩ	10	1	10	1
1 kΩ	10	2	10	2
2 kΩ	10	3	8,5	3
2,5 kΩ	10	5	8,1	7

Kąty przesunięć wynoszą odpowiednio:

Wnioski:

Spoglądając na wykresy przebiegów czasowych trzech rodzajów prądów, widać, że zwiększanie liczby diód prostujących ma negatywny wpływ na amplitudę wyprostowanego prądu, a co za tym idzie, na jego mniejszą moc. Niestety, jest to nieuniknione, ze względu na opór wewnętrzny samych diod.

Jeżeli zaś chodzi o charakterystykę diód, oba wykresy zachowują się prawidłowo; co więcej, wynika z nich, że dioda krzemowa posiada większą zdolność blokowania prądu wstecznego niż dioda selenowa.

Podsumowując, uzyskane wyniki są wiarygodne i zgodne z oczekiwaniami.