INSTITUT FYZIKY Číslo pracoviště: 4.
Vypracoval protokol: Spolupracoval(i)při měření: Skupina:
Měření voltampérové charakteristiky polovodičové diody
Datum měření: Datum odevzdání:
Fakulta: FMMI
Teplota v laboratoři: -
Laboratoř: F222
Tlak v laboratoři: -
I. Teoretická příprava I. 1. Co je dioda, k čemu slouží polovodičová dioda? Dioda je elektrotechnická součástka, která v elektrickém obvodu propouští elektrický proud pouze jedním směrem. Klasické diody - elektronky jsou dnes (až na výjimky) z mnoha praktických důvodů nahrazeny polovodičovými součástkami. Polovodičová dioda je elektrotechnická součástka, která má jeden PN přechod. Podle typu konstrukce slouží diody k usměrňování elektrického proudu (tj. k přeměně střídavého proudu na proud stejnosměrný), ke stabilizaci elektrického napětí nebo k signalizaci průchodu proudu. V technické praxi se užívá široké spektrum různých typů diod. Dioda, jejíž VA charakteristiku studijně měříme, je germaniová dioda (GA203).
Polovodičové diody GA203.
Různé jiné typy diod.
Běžné konstrukce diod.
I. 2. Co je voltampérová charakteristika diody, k čemu slouží? VA charakteristika diody je závislost proudu protékajícího diodou na napětí na této diodě, a to při konstantní teplotě diody. VA charakteristiku měříme nejprve ve směru „propustném“ pro průchod proudu, potom změníme polaritu (napájecího zdroje nebo diody) a měříme ji ve směru „závěrném“ pro průchod elektrického proudu. VA charakteristiky různých typů diod jsou deklarovány v katalozích firem, protože mají především vypovídací hodnotu o odporu dané diody za různých napěťových a i teplotních podmínek. V grafu VA charakteristiky je napěťově proudová závislost v propustném směru zviditelněna v 1. kvadrantu, napěťově proudová závislost v závěrném směru je zviditelněna ve 3. kvadrantu téhož grafu.
VA charakteristika germaniové diody (GA203), kterou studijně měříme, je katalogově dána výrobcem jako VA charakteristika polovodičové diody, tj. nelineární nesouměrná.
Pokud měření očekávanému průběhu neodpovídá, může jít o chybu technického charakteru nebo provozní chybu vzniklou v průběhu vlastního měření (např. špatně odečítáme hodnoty z nastavených rozsahů měřicích přístrojů, špatně zapisujeme hodnoty do tabulek nebo špatně vynášíme naměřené hodnoty do grafu, ať už ručně nebo pomocí tabulkového procesoru). Co se vývojového trendu týká, VA charakteristika polovodičové diody nesmí být např. nelineární souměrná, takovou charakteristiku vykazuje jiný polovodičový prvek, a to termistor (termistor je obecně polovodičová součástka, jejíž elektrický odpor závisí na teplotě; rozlišujeme 2 druhy termistorů: negastor, jehož odpor při ohřevu klesá a pozistor, jehož odpor při ohřevu roste). Teoreticky by ideální dioda měla mít ideální parametry: nulové prahové napětí, nekonečný maximální proud v propustném směru, nulový dynamický odpor, nekonečné maximální závěrné napětí, nulový zbytkový proud. Prakticky dioda tyto ideální parametry mít nemusí ani přibližně, nejčastěji z toho důvodu, že byla jednorázově teplotně předimenzována nebo dlouhodobě amortizovaná. Když při měření dopustíme, aby byla překročena teplota ohřevu povolená výrobcem, dioda je nevratně poškozena, její dynamický odpor nezanedbatelně vzroste a VA charakteristika pak neodpovídá deklarovanému katalogovému průběhu. II. Seznam pomůcek Germaniová dioda (GA203) v olejové nádobce; napájecí zdroj TNG 245; miliampérmetr; mikroampérmetr; voltmetr; rezistor 100 Ω; rezistor 15 kΩ; potenciometr 100 Ω; potenciometr 22 kΩ; elektrický vařič; digitální multimetr V 560 s teplotní sondou; kádinka s vodou; varná konvička; 8 ks vodičů.
III. Postup práce Polovodičová dioda má usměrňující účinek, její PN přechod způsobuje, že odpor v propustném směru je mnohem menší než ve směru závěrném. Proto obě části VA charakteristiky nelze měřit v jednom obvodu a se srovnatelnými ochrannými odpory! Měření VA charakteristiky je rozděleno na 2 dílčí měření, a to na měření v propustném směru a na měření v závěrném směru. Dioda je ponořena do olejové lázně se zabudovaným teploměrem. Po provedení obou měření za pokojové teploty tatáž měření zopakujeme při teplotě vyšší, přičemž olejovou lázeň s diodou ohřejeme elektrickým vařičem pouze na doporučenou teplotu.
III. 1. Měření VA charakteristiky v propustném směru V propustném směru (tzv. zapojení pro malý odpor) zapojíme polovodičovou diodu do obvodu napájeného 6 V stejnosměrným elektrickým zdrojem. Toto napětí je regulováno potenciometrem (zapojeným v elektrickém obvodu jako dělič napětí, a to při maximálním odporu potenciometru 100 Ω). Dalšími prvky elektrického obvodu jsou konstantní ochranný odpor (rezistor 100 Ω), sériově zapojený miliampérmetr a paralelně zapojený voltmetr k měřené diodě. Postupně měníme v ekvidistantních krocích jak napětí, tak i proud, přičemž čteme obě odpovídající si hodnoty a zapisujeme je do tabulky při rostoucím a poté i klesajícím napětí (protože proud, který diodou prochází, ji současně zahřívá, hodnoty proudu pro klesající napětí tedy nemusí zcela přesně kopírovat odpovídající napěťově proudové hodnoty v předcházející fázi měření; projevuje se tepelná setrvačnost, pokud měříme velmi pomalu). Při kontrole správného zapojení obvodu pozor na polaritu diody a zdroje: proud musí vstupovat do diody anodou! Schéma zapojení:
III. 2. Měření VA charakteristiky v závěrném směru V závěrném směru (tzv. zapojení pro velký odpor) zapojíme diodu do obvodu napájeného 35 V stejnosměrným elektrickým zdrojem. Toto napětí je regulováno potenciometrem (zapojeným do obvodu jako dělič napětí, a to při maximálním odporu potenciometru 22 kΩ). Dalšími prvky elektrického obvodu jsou konstantní ochranný odpor (rezistor 15 kΩ Ω), sériově zapojený mikroampérmetr a paralelně zapojený voltmetr (k měřené diodě a mikroampérmetru). Postupně měníme v ekvidistantních krocích jak napětí, tak i proud, přičemž čteme odpovídající si hodnoty a zapisujeme je do tabulky při rostoucím a poté i klesajícím napětí (proud, který diodou prochází, ji současně zahřívá, a proto hodnoty proudu pro klesající napětí nemusí zcela přesně kopírovat odpovídající napěťově proudové hodnoty v předcházející fázi měření; projevuje se tepelná setrvačnost, pokud měříme pomalu). Při kontrole správného zapojení obvodu pozor na polaritu diody a zdroje: proud musí vstupovat do diody katodou! Schéma zapojení:
III. 3. Měření VA charakteristiky při ohřevu VA charakteristiku polovodičové diody měříme za dané teploty. Měříme ji 2 krát, a to při pokojové teplotě 20 °C a poté po ohřevu např. při 35 °C. Ohřev diody provedeme minimálně o 10 °C až 15 °C, aby odlišnosti obou srovnávaných VA charakteristik byly dobře graficky
odlišitelné. Avšak nesmíme překročit povolené teplotní namáhání diody GA203 do 40 °C. Pokud na počátku měření vidíme, že při nulovém napájecím napětí (nastaveném jezdcem reostatu = děličem napětí nebo přímou regulací napájecího zdroje) není nulové až „prahové“ (maximálně 0,3 V) napětí na diodě (měřené voltmetrem) a současně vidíme odpovídající nenulový proud (měřený ampérmetrem), je třeba takovou poškozenou diodu vyměnit za novou, plně funkční. IV. Vyhodnocování výsledků měření IV. 1. Tabulka měření VA charakteristiky v propustném směru při teplotě t1 = …… [°C] n
Up rostoucí [mV]
Ip rostoucí [mA]
Up klesající [mV]
Ip klesající [mA]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. IV. 2. Tabulka měření VA charakteristiky v závěrném směru při teplotě t1 = ……… [°C] n
Uz rostoucí [mV]
Iz rostoucí [µ µA]
Uz klesající [mV]
Iz klesající [µ µA]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. IV. 3. Tabulka měření VA charakteristiky v propustném směru při teplotě t2 = …… [°C] n 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Up rostoucí [mV]
Ip rostoucí [mA]
Up klesající [mV]
Ip klesající [mA]
7. 8. 9. 10. IV. 4. Tabulka měření VA charakteristiky v závěrném směru při teplotě t2 = ……… [°C] n
Uz rostoucí [mV]
Iz rostoucí [µ µA]
Uz klesající [mV]
Iz klesající [µ µA]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. IV. 5. Přesnost měření užitými přístroji Velikost absolutní nejistoty výsledku měření ux hodnot dané měřené fyzikální veličiny X udává procento p třídy přesnosti z nejvyšší hodnoty nastaveného měřicího rozsahu M: ux =
M p. 100
Třída přesnosti voltmetru ………………….....; Třída přesnosti miliampérmetru ………………; Třída přesnosti mikroampérmetru …....……….
V. Závěr Změřili jsme VA charakteristiku germaniové diody GA203 v zapojení obvodu pro malý odpor a v zapojení obvodu pro velký odpor - ad příloha protokolu, a to s absolutní nejistotou (typu B) výsledku měření: • napětí ……...........…......................…; • proudu v propustném směru ……..…..; • proudu v závěrném směru ……….….. . Na základě srovnání výsledků měření s katalogovými průběhy hodnotíme průběhy měřených VA charakteristik diody • kvalitativně jako: nelineárně nesouměrné – jiné: ………….; • kvantitativně jako: dostatečně přesné – nedostatečně přesné.
