Laborübung, Diode

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8. März 2017 Elektronik 1 Martin Weisenhorn Laborübung, Diode 1 Diodenkennlinie dynamisch messen Die Kennlinie der Diode kann auch direkt am Oszilloskop dargestellt werden. Das Oszilloskop bietet nämlich die Möglichkeit, die x-Auslenkung anstatt als Funktion der Zeit als Funktion des Spannungswertes an CH1 zu steuern. Dazu soll am FG der Spannungsverlauf entsprechend Abb. 2 eingestellt werden. Der Transformator sorgt dafür, dass die Masse Verbindung zwischen Oszilloskop und FG keinen Kurzschluss verursacht. Ri = 50 Ω URi UF IF D UD Uq Rm 100 Ω URm Funktionsgenerator Abbildung 1: Schaltung für die dynamische Messung einer Diodenkennlinie. Der Transformator erlaubt es, die Masse des Oszilloskops mit einem beliebigen Knoten auf der Sekundärseite des Trafos zu verbinden. • Überlegen Sie sich, wo die beiden Kanäle CH1 und CH2 des Oszilloskops angeschlossen werden müssen, damit die Spannung UF an der Diode und den Strom IF durch die Diode gemessen werde können. Erstellen Sie eine Skizze des gesamten Messaufbaus. Hinweis Die Spannung URm ist proportional zum Strom IF . Laborübung, Diode, Elektronik 1 2 uq (t) [V] 5 0 0.25 0.5 t [ms] −5 Abbildung 2: Quellspannungsverlauf für die dynamische Messung der Diodenkennlinie. • Messen Sie die Spannung am Ausgang des FG mit dem Oszilloskop und stellen Sie sicher, dass der Verlauf entsprechend Abb. 2 ist. • Schliessen Sie nun den Transformator an und messen Sie dessen Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop. Die Spannung sollte mit der Spannung am Ausgang des FG übereinstimmen. • Bauen Sie nun den Rest der Schaltung auf und stellen Sie die Spannungen UD und URm auf dem Oszilloskop dar. • Die Diodenkennlinie erhält man nun indem man die Spannungen an CH1 und CH2 nicht mehr als Funktion der Zeit darstellt, sondern die Spannung an CH2 als Funktion von CH1. Diese Einstellung erreichen Sie durch die Taste Display und die Wahl von Format XY im Kontextmenü. Nun sollte die Diodenkennlinie sichtbar sein. Vergleichen Sie die Kennlinie mit der statisch aufgezeichneten. Die beiden sollten quantitativ identisch sein. Eventuell müssen Sie die Polarität eines der Kanäle invertieren. Dies geschieht mit dem Kontextmenü von CH1 oder CH2 – setzen Sie Invertieren Ein. • Experimtieren Sie mit der Darstellung der Kennlinien von z.B. zwei Dioden Antiparallel, oder weiteren Zweipolen aus Abb. 3. Sie können auch eine Zenerdiode mit 3.9 V verwenden. 3.9 V (a) Antiparallelschaltung. (b) Zehnerdiode. 100 Ω (c) Parallelschaltung mit Widerstand. 100 Ω (d) Serienschaltung mit Widerstand. Abbildung 3: Zweipole deren Kennlinien am Oszilloskop dargestellt werden könnten. Laborübung, Diode, Elektronik 1 3 2 Vorwiderstand für LED Eine Leuchtdiode soll mit einer Spannung von 8 V aus dem Labornetzgerät gespeisst werden. Verwenden Sie eine Power LED ihrer Wahl aus dem Bauteileschrank. Die LED soll mit einem Strom von 300 mA betrieben werden. Achten Sie darauf, dass der Strom während des gesamten Experiments nie grösser als 500 mA wird. Die Kennlinien der möglichen Dioden Finden Sie in Abb. 4. (a) (b) Abbildung 4: Kennlinien für Power-LEDs aus deren Datenblatt. • Bestimmen sie den nötigen Vorwiderstand mit Hilfe der Kennlinie aus der folgenden Abbildung: Zeichnen Sie zu diesem Zweck die horizontale Achse weiter bis 8 V. Laborübung, Diode, Elektronik 1 4 • Berechnen Sie die Verlustleistung die der Widerstand umsetzen wird und wählen Sie einen entsprechenden Widerstand aus dem Bauteileschrank. Das Vorhandensein einer Verlustleistung ist ein Nachteil dieser Schaltung. Sie lernen noch Schaltungen kennen, die diesen Nachteil vermeiden. • Kontrollieren Sie bitte den Strom während der Inbetriebnahme, und drehen Sie die Spannung allmählich von 0 V auf 8 V hoch. • Angenommen die Kennlinie verschiebt sich infolge Erwärmung um 100 mV nach links. Wie hoch würde der Strom werden? Lösen Sie diese Aufgabe wiederum mit Hilfe der betreffenden Kennlinien aus Abb. 4. • Angenommen auf den Vorwiderstand würde verzichtet und die Spannung so eingestellt, dass bei der angegebenen Kennlinie der gewünschte Strom fliesst. Wie würde dieser Strom sich verändern, wenn die Kennlinie der Diode sich infolge Erwärmung um 100 mV nach links verschiebt? 3 Logikschaltung mit Dioden Mit Dioden lassen sich einfach Logikschaltungen realisieren. Überlegen Sie für die Schaltungen in Abb. 5 bei welchen Schalterstellungen von S1 und S2 die LED leuchtet. V+ V+ R1 390 Ω V+ R2 390 Ω V+ R3 390 Ω LED rot D1 5V D2 S1 S2 Abbildung 5: Logikschaltung. a) Erstellen Sie eine Wahrheitstabelle. Welchen Namen hat die entsprechende Funktion in der Digitaltechnik? b) Sind die Widerstände R1 und R2 für die Funktion der Schaltung erforderlich? Laborübung, Diode, Elektronik 1 5 c) Wenn Sie möchten können Sie die Schaltung aufbauen und überprüfen ob Ihre Antworten korrekt sind. 4 Lastverhalten des Labornetzgerätes Eine lineare Spannungsquelle wie in Abb. 6 liefert die Ausgangsspannung Ua = Ui − Ri · Ia . Ein Labornetzgerät ist eine lineare Spannungsquelle, jedoch nur für positive Ströme d.h. für 0 < Ia < Imax . Geht man davon aus, dass der Strom auch negativ sein kann, so lässt sich das Verhalten der Spannungsquell nicht durch die lineare Spannungsquelle aus Abb. 6 erklären. In dieser Aufgabe soll die Abhängigkeit der Ausgangsspannung als Funktion des Stromes Ia für −10 mA < Ia < 100 mA ermittelt werden und ein Schaltbild geliefert werden, das diese Abhängigkeit erklärt. Labornetzgerät Ri Ia URi Ui Ua Abbildung 6: Lineare Spannungsquelle. a) Überlegen Sie sich eine Messschaltung zur Erzeugung negativer Ströme Ia , Sie können die zweite Quelle des Labornetzgerätes verwenden. Skizzieren Sie die Schaltung. b) Ermitteln Sie den Verlauf der Ausgangsspannung Ihres Labornetzgeräts für das Intervall −10 mA < Ia < 100 mA und skizzieren Sie die Spannung Ua als Funktion von Ia . Ein mögliches MATLAB-Skript zur Darstellung der Messpunkte entlang der Kennlinie könnte wie folgt aussehen: figure plot ( U_A , I_A *1000 , 'bo - ' , ' linewidth ' ,2) ; xlabel ( ' U_a [ V ] ') ; ylabel ( ' I_a [ mA ] ') ; title ( ' Belastungskennlinie des Labornetzgeraetes ') ; Laborübung, Diode, Elektronik 1 6 Sollte die Kurve zu wenig glatt sein, so erfassen Sie an geeigneten Stellen zusätzliche Messwerte. c) Wie müsste man die Ersatzschaltung des Labornetzgerätes in Abb. 6 modifizieren, damit es sich eignet, um das Verhalten des Labornetzgerätes zu erklären? Skizzieren Sie das entsprechende Ersatschaltbild! 5 Umschaltverhalten Um die Bedeutung der Unterschiede zwischen den verschiedenen zu behandelnden DiodentyFunktionsgenerator Ri D uRi uq RL ua Abbildung 7: Anordnung zur Messung der Sperrverzögerung. pen zu erfassen, müssen wir uns vorgängig mit dem Phänomen der Sperrverzögerung vertraut machen. Wir verwenden die Messschaltung gemäss Abb. 7, wobei der Funktionsgenerator eine rechteckförmige Wechselspannung uq (t) von 50 kHz und 10 Vpp erzeugt. Wir messen mit einem Oszilloskop die Spannung ua (t). Die gemessene Spannung fällt über dem Widerstand RL = 1 kΩ ab, sie ist proportional zum Diodenstrom id (t). a) Verwenden Sie für die Diode D den Typ 1N4007. Messen Sie die Sperrverzögerung Trr die zwischen dem Zeitpunkt vergeht an dem die Diodenspannung negativ wird bis zu dem Zeitpunkt an dem der Betrag des Diodenstromes id (t) auf 10 % seines Maximalwertes abgesunken ist. b) Wiederholden Sie die Messung aus Punkt a) auch mit der Diode 1N4148. Diese sperrt derart schnell, dass Induktivitäten in den Drähten des Aufbaus das Ergebnis dominieren können. Daher ist ein sehr kompakter Aufbau wichtig. c) Erklären Sie die Unterschiede im Ausgangssignal für die beiden Diodentypen! d) Lesen Sie aus den Datenblättern der beiden Dioden die jeweilige maximal erlaubte Sperrspannung heraus. Vergleichen Sie diese Werte mit der jeweiligen Sperrverzögerung.