Voltamp´ erov´ a charakteristika diody
1
C´ıle mˇ eˇ ren´ı
C´ılem mˇeˇren´ı je sezn´ amit se diodou jako s jedn´ım ze z´akladn´ıch prvk˚ u elektrick´ ych obvod˚ u. V r´ amci u ´lohy zmˇeˇr´ıte voltamp´erovou charakteristiku (z´avislost prot´ekaj´ıc´ıho proudu na pˇriloˇzen´em napˇet´ı) r˚ uzn´ ych diod. Pˇri t´eto pˇr´ıleˇzitosti se tak´e nauˇc´ıte z´aklady navrhov´an´ı a pr´ace s elektrick´ ymi obvody v laboratoˇri.
Pracovn´ı u ´ koly 1. Pro nˇekolik LED diod zmˇeˇrte velikost prahov´eho napˇet´ı. Zmˇeˇrte proud v propustn´em smˇeru, pˇri kter´em dojde k destrukci diody. Porovnejte v´ ysledky s u ´daji deklarovan´ ymi v´ yrobcem. 2. Pro pˇet r˚ uzn´ ych diod zmˇeˇrte voltamp´erovou charakteristiku v propustn´em smˇeru. Zmˇeˇren´ a data proloˇzte Schockleyho rovnic´ı.
Bonusov´ e 3. Zmˇeˇrte velikost zbytkov´eho proudu v z´avˇern´e oblasti.Zkuste urˇcit velikost pr˚ urazn´eho napˇet´ı pro LED diodu. Srovnejte s u ´daji v´ yrobce. 4. Sestavte obvod pro signalizaci velikosti napˇet´ı. Urˇcete nutn´e velikosti odpor˚ u.
2
Pom˚ ucky
Laboratorn´ı zdroj (0-24V), nep´ ajiv´e pole, 2×digit´aln´ı multimetr, sada diod, 2× kabel s mˇeˇr´ıc´ımi haˇcky.
3 3.1
Z´ akladn´ı pojmy a vztahy: Dioda
U ohmick´eho odporu, dle Ohmova z´ akona, proud roste line´arnˇe s pˇriloˇzen´ ym napˇet´ım (I = U/R). Dioda, kter´e se budeme vˇenovat v tomto mˇeˇren´ı, je naopak nejjednoduˇsˇs´ım neline´arn´ım prvkem elektrick´ ych obvod˚ u. Pouˇzit´ı neline´ arn´ıch prvk˚ u umoˇzn ˇuje konstruovat elektrick´e obvody s r˚ uzn´ ymi, ˇcasto i sloˇzit´ ymi funkcemi. Porozumˇet jejich principu a funkci je d˚ uleˇzit´e pro jejich spr´avn´e pouˇz´ıv´an´ı. Diody jsou vˇetˇsinou vyrobeny spojen´ım dvou polovodiˇc˚ u, jednoho typu “P“(s dˇerovou vodivost´ı) a druh´eho typu “N”(s elektronovou vodivost´ı). Na rozhran´ı tˇechto dvou materi´al˚ u, tak zvan´em P-N pˇrechodu, jak jiˇz moˇzn´ a v´ıte, vznikne vrstva, ve kter´e rekombinuj´ı elektrony a d´ıry. Tato pˇrechodov´ a oblast m´a tu velmi d˚ uleˇzitou vlastnost, ˇze v jednom, tak zvan´em z´ avˇern´em smˇeru v˚ ubec nepropouˇst´ı proud (nebo jen velmi nepatrnˇe). Ve smˇeru opaˇcn´em, tak zvan´em propustn´em pak dioda od dosaˇzen´ı jist´eho prahov´eho napˇet´ı zaˇc´ın´ a v´est proud a jej´ı odpor rychle kles´a se zvˇetˇsuj´ıc´ım se napˇet´ım. Dioda tak v elektrick´ ych obvodech funguje v podstatˇe jako jednosmˇern´a propust’. Voltamp´erovou charakteristiku ide´aln´ı diody si pak lze zjednoduˇsenˇe pˇredstavit dle obr´azku 1a, kde VF je prahov´e napˇet´ı. Chov´an´ı re´aln´e diody lze dobˇre popsat Schockleyho rovnic´ı: V D nVT I = IS e −1 , (1)
1
kde I je proud proch´ azej´ıc´ı diodou, VD je napˇet´ı pˇriloˇzen´e na diodu, IS je z´avˇern´ y saturaˇcn´ı proud, VT je tzv. tepeln´e napˇet´ı. n je ˇcinitel kvality, kter´ y se pohybuje od 1 do 2 v z´avislosti na v´ yrobn´ım procesu a materi´alu polovodiˇce. V mnoha pˇr´ıpadech se d´a uvaˇzovat jako pˇribliˇznˇe rovn´ y 1 (pak n z rovnice vypadne). VT pak z´ avis´ı na teplotˇe podle VT = kT /q, kde k = 1.38 × 10−23 JK−1 je Botzmannova konstanta, T je absolutn´ı teplota v Kelvinech a q = 1.6 × 10−19 C je n´aboj elektronu. Pˇri pokojov´e teplotˇe T = 300K je tedy VT = 25.2mV .
(a)
(b)
Obr´azek 1: Schematick´ y n´ akres voltamp´erov´e charakteristiky a)ide´aln´ı diody a b)re´aln´e diody. V sch´ematech elektrick´ ych obvod˚ u se dioda nejˇcastˇeji znaˇc´ı tak jako na obr´azku 2. V propustn´em smˇeru teˇce diodou proud ve smˇeru z anody (+) na katodu (-). U vˇetˇsiny diod je katoda a anoda rozliˇsena bud’ pomoc´ı barevn´eho prouˇzku (u katody), rozd´ıln´e d´elky noˇziˇcek (kratˇs´ı u katody) a nebo asymetrick´ ym pouzdrem.
Obr´ azek 2: Schematick´e znaˇcen´ı diod a urˇcen´ı polarity. Pouˇzit´ ym materi´ alem a konstrukc´ı diody lze mˇenit z´akladn´ı parametry a oblast pouˇzit´ı konkr´etn´ı diody. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı parametry, kter´e je tˇreba br´at v potaz pˇri v´ ybˇeru diod jsou: • Prahov´ e napˇ et´ı je napˇet´ı v coˇz je napˇet´ı v propustn´em smˇeru, pˇri kter´em dojde k jej´ımu otevˇren´ı a diodou zaˇcne prot´ekat proud. Toto napˇet´ı z´avis´ı na materi´alu diody. • Maxim´ aln´ı proud v propustn´em smˇeru je maxim´aln´ı proud, kter´ y m˚ uˇze diodou dlouhodobˇe prot´ekat aniˇz by doˇslo k jej´ımu zniˇcen´ı v d˚ usledku pˇrehˇr´at´ı. Nˇekdy se m´ısto maxim´aln´ıho proudu pouˇz´ıv´a maxim´ aln´ı v´ ykonov´ a ztr´ ata (W = U I).
2
• Dynamick´ y odpor je d´ an sklonem V-A charakteristiky ( dU em bodˇe v propustn´em dI ) v dan´ smˇeru. • Maxim´ aln´ı z´ avˇ ern´ e napˇ et´ı je maxim´aln´ı napˇet´ı, kter´e dioda v opaˇcn´em smˇeru udrˇz´ı, aniˇz by se prorazila. U bˇeˇzn´ ych, kˇrem´ıkov´ ych diod se pohybuje od 50V do 1500V. Naopak u LED diod b´ yv´a mal´ y, proto nejsou vhodn´e pro usmˇerˇ nov´an´ı proudu. • Pr˚ urazn´ e napˇ et´ı je elektrick´e napˇet´ı, kter´e zp˚ usob´ı pˇri zapojen´ı v z´avˇern´em smˇeru zniˇcen´ı pˇrechodu P-N. • Zbytkov´ y proud je velmi mal´ y proud, kter´ y proch´az´ı diodou v z´avˇern´em smˇeru. Ide´aln´ı dioda zobrazen´ a na obr´ azku 1a by pak teoreticky mˇela m´ıt nulov´e prahov´e napˇet´ı, nekoneˇcn´ y maxim´aln´ı proud v propustn´em smˇeru, nulov´ y dynamick´ y odpor, nekoneˇcn´e maxim´aln´ı z´avˇern´e napˇet´ı a nulov´ y zbytkov´ y proud. Pr´ avˇe velmi n´ızk´a hodnota dynamick´eho odporu v propustn´em smˇeru zp˚ usobuje, ˇze na otevˇren´e diodˇe je v podstatˇe konstantn´ı u ´bytek napˇet´ı pro velk´e rozmez´ı velikosti proch´azej´ıc´ıho proudu.
3.2
Laboratorn´ı zdroj
Pokud jste nikdy nepracovali s laboratorn´ım zdrojem, pˇ reˇ ctˇ ete si pozornˇ e tuto kapitolu. Laboratorn´ı zdroje, obdobnˇe jako napˇr´ıklad baterie slouˇz´ı jako zdroj energie pro elektrick´e obvody. Na rozd´ıl od bateri´ı vˇsak maj´ı vlastnosti a funkce d˚ uleˇzit´e pro vyuˇzit´ı v laboratorn´ıch experimentech. Tyto regulovan´e zdroje nejenˇze vˇetˇsinou dovoluj´ı mˇenit u ´roveˇ n napˇet´ı, ale dok´aˇz´ı udrˇzet stabiln´ı hladinu napˇet´ı i pˇri zmˇen´ ach odbˇeru proudu, coˇz je velmi d˚ uleˇzit´e pro experiment´aln´ı u ´ˇcely. Velk´ a ˇc´ ast laboratorn´ıch zdroj˚ u je konstruov´ ana obdobnˇe jako typ na obr´azku 3.
Obr´ azek 3: Stabilizovan´ y ˇriditeln´ y zdroj. Tento zdroj m´ a dva ˇriditeln´e kan´ aly (0-24V) s proudovou ochranou a jeden pevn´ y (5V). V nejjednoduˇsˇs´ım pˇr´ıpadˇe se pouˇz´ıv´ a pouze jeden v´ ystupn´ı kan´al (CH1 - viz obr´azek). Standardnˇe lze ovl´adat v´ ystupn´ı napˇet´ı na svork´ ach + (ˇcerven´a) a –(zelen´a) pomoc´ı otoˇcn´eho knofl´ıku Volts“. Pˇri ” pr´aci v laboratoˇri a pˇri konstrukci r˚ uzn´ ych elektrick´ ych zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze doj´ıt k chyb´am jako napˇr´ıklad nechtˇen´e zkratov´ an´ı obvodu, nebo ˇspatn´e zapojen´ı mˇeˇric´ıho pˇr´ıstroje na kr´atko, pˇri kter´em by j´ım proch´azel velk´ y proud. Takov´eto ud´ alosti mohou v´est k nechtˇenˇe velk´ ym proud˚ um a v d˚ usledku toho ke zniˇcen´ı drah´eho vybaven´ı, popˇr´ıpadˇe i k u ´razu. Pro tyto u ´ˇcely jsou laboratorn´ı zdroje vybaveny 3
tak´e nastaviteln´ ym omezovaˇcem proudu. V tomto pˇr´ıpadˇe pomoc´ı otoˇcn´eho knofl´ıku Current“. Pokud ” je omezovaˇc proudu nastaven na urˇcitou hodnotu (pozor na displeji nemus´ı b´ yt vidˇet), pak lze zdroj st´ale ovl´adat pomoc´ı nastaven´ı napˇet´ı (sv´ıt´ı kontrolka CV”) aˇz do momentu, kdy pˇri zvyˇsov´an´ı napˇet´ı ” proud poskytovan´ y zdrojem dos´ ahne nastaven´e hodnotu. Pot´e jiˇz zdroj pˇrestane reagovat na knofl´ık napˇet´ı a rozsv´ıt´ı se kontrolka CC”. Obdobnˇe pokud pˇri experimentu dojde napˇr´ıklad ke zkratu a ” proud naroste nad nastavenou u ´roveˇ n, zdroj s´am sn´ıˇz´ı napˇet´ı tak, aby se proch´azej´ıc´ı proud dostal na limitn´ı hodnotu. Tato funkce m´ a nejen bezpeˇcnostn´ı charakter, ale i praktick´e vyuˇzit´ı. V reˇzimu, kdy je nastaveno o nˇeco vyˇsˇs´ı neˇz poˇzadovan´e napˇet´ı a zdroj je limitov´an proudem (sv´ıt´ı kontrolka CC”), ” lze zdroj ovl´adat pomoc´ı nastaven´ı proudu a pouˇz´ıt jej jako zdroj konstantn´ıho proudu. V kaˇzd´em pˇr´ıpadˇe je ale pravidlem, ˇze i pˇres tyto funkce se ˇz´adn´ y zdroj se nesm´ı spojovat na kr´atko, tj. pˇr´ım´e spojen´ı + a - bez z´ atˇeˇze. Jak je vidˇet na obr´azku 3 zdroj m´a tak´e ˇcern´e zd´ıˇrky. Ty jsou propojeny s nulov´ ym vodiˇcem z´ asuvky, do kter´e je pˇripojen cel´ y zdroj a umoˇzn ˇuj´ı nastavit v´ ychoz´ı napˇet´ı vzhledem k potenci´ alu zemˇe. Propojen´ım s jedn´ım z v´ ystup˚ u napˇet´ı lze z´ıskat kladn´e, nebo z´aporn´e napˇet´ı vzhledem k zemi. To je d˚ uleˇzit´e napˇr´ıklad pro pˇrenos ˇsumu, nebo pˇri mˇeˇren´ı osciloskopem. Pokud zdroj nen´ı pˇripojen k zemi pracuje jako tzv. plovouc´ı“ (stejnˇe jako tˇreba klasick´a baterie). Z obr´ azku ” 3 lze tedy vidˇet, ˇze kan´ al 3 s pevn´ ym napˇet´ı d´av´a vˇzdy kladn´ ych +5V vzhledem k zemi. Vzhledem k tomu, ˇze zdroje m´ a i dalˇs´ı ˇriditeln´ y a neˇriditeln´ y v´ ystup, lze nez´avisle nap´ ajet i ’ dalˇs´ı zaˇr´ızen´ı. Oba ˇriditeln´e kan´ aly lze vˇsak i zapojit tak, aby ˇslo zvˇetˇsit celkov´ y napˇet ov´ y popˇr´ıpadˇe proudov´ y rozsah zdroje. Oba kan´ aly lze propojen´ım na obr´azku 4a spojit s´eriovˇe a z´ıskat tak zdroj aˇz dvojn´asobn´eho napˇet´ı. Oba kan´ aly lze tak´e spojit paralelnˇe 4b a z´ıskat zdroj se stejn´ ym rozsahem napˇet´ı avˇsak s dvojn´ asobn´ ym maxim´ aln´ım proudem. I v tomto pˇr´ıpadˇe lze vyuˇz´ıt propojen´ı se zem´ı. Zvl´aˇstˇe v pˇr´ıpadˇe paraleln´ıho pˇripojen´ı je vhodn´e (ne-li nutn´e) vyuˇz´ıt moˇznosti spoleˇcn´eho ˇr´ızen´ı obou zdroj˚ u. Pˇri tisknut´em tlaˇc´ıtku Mode“ mezi obˇema kan´aly jsou oba kan´aly ˇr´ızeny spoleˇcnˇe pomoc´ı ” ovl´ad´an´ı napˇet´ı na prvn´ım kan´ alu. Oba kan´aly pak d´avaj´ı stejn´e napˇet´ı na v´ ystupu. Pozor, v tomto reˇzimu vˇsak st´ ale funguj´ı omezovaˇce proudu nez´avisle pro oba kan´aly.
(a) Paralelnˇe zapojen´e kan´aly zdroje.
(b) S´eriovˇe zapojen´e kan´aly zdroje.
Obr´ azek 4: Moˇzn´ a propojen´ı v´ ystupn´ıch kan´al˚ u n alaboratorn´ım zdroji.
4
3.3
Nep´ ajiv´ e pole
Navrhov´an´ı a testov´ an´ı elektrick´ ych obvod˚ u je bˇeˇznou souˇc´ast´ı laboratorn´ı pr´ace. Sestaven´ı, otestov´ an´ı a pˇredevˇs´ım pozmˇen ˇov´ an´ı obvodu, kter´ y obsahuje nˇekolik souˇc´astek, m˚ uˇze b´ yt vcelku nepˇrehledn´e. K rychl´emu a pohodln´emu sestaven´ı obvod˚ u bez nutnosti p´ajet slouˇz´ı nep´ajiv´e pole (NP), anglicky breadboard“. ”
Obr´ azek 5: Nep´ ajiv´e pole a zadn´ı pohled na propojen´ı jednotliv´ ych d´ırek. Velmi dobˇre je princip pouˇzit´ı nep´ajiv´eho pole pops´an napˇr´ıklad zde: learn.sparkfun.com/ tutorials/how-to-use-a-breadboard . V dneˇsn´ı dobˇe existuj´ı online simul´atory, kde si lze vyzkouˇset pr´aci pˇri n´avrhu elektrick´ ych obvod˚ u na nep´ajiv´em poli. Pokud jste nikdy s nep´ajiv´ ym polem nepracovali, zkuste si vytvoˇrit jednoduch´ y obvod (napˇr. baterie, sp´ınaˇc, ˇz´arovka) zde: 123d.circuits.io
4
Postup mˇ eˇ ren´ı
´ Ukol 1. – Vyberte si jednu LED diodu. – Ovˇeˇrte si propustn´ y a z´ avˇern´ y smˇer diody na testeru diod na multimetru. Diodu pˇripoj´ıte pomoc´ı vodiˇce s mal´ ymi h´ aˇcky na konci kryt´ ymi izolaˇcn´ım plastem. Pozor na zkratov´an´ı kontakt˚ u. – Vyberte si jeden z nastaviteln´ ych v´ ystup˚ u zdroje elektrick´eho napˇet´ı, nastavte napˇet´ı na nulu a pˇripojte zdroj ban´ anky k pˇr´ısluˇsn´ ym konektor˚ um na nep´ajiv´em poli (NP). Tyto konektory maj´ı v oblasti z´ avit˚ u otvor pro pˇripojen´ı propojovac´ıch dr´atk˚ u k samotn´emu NP. Je dobr´ ym zvykem vyv´est zdroj k nejl´epe k vyznaˇcen´ ym lini´ım (+ ˇcerven´a,− modr´a). Pˇripojte diodu ke zdroji:
– Postupnˇe zvyˇsujte napˇet´ı na zdroji. Pˇri jak´em prahov´em napˇet´ı(pˇribliˇznˇe) zaˇcne diodou prot´ekat proud (LED dioda zaˇcne sv´ıtit). 5
– Co se stane pˇri postupn´em zvyˇsov´ an´ı napˇet´ı? Pˇri jak´em napˇet´ı a proudu (opˇet pˇribliˇznˇe) dojde ke zniˇcen´ı diody? – Srovnejte v´ ysledky s parametry uv´ adˇen´ ymi v´ yrobcem na pˇriloˇzen´em let´aku. Takto z´ısk´ate pˇredstavu o tom, jak´ y proud je pro diodu kr´ atkodobˇe snesiteln´ y. – Proved’te obdobnˇe mˇeˇren´ı prahov´eho napˇet´ı pro ostatn´ı diody s t´ım rozd´ılem, ˇze vyuˇ zijete nastaven´ı omezovaˇ ce proudu na zdroji k tomu, abyste nepˇres´ahli bezpeˇcnou velikost proudu. Pro kaˇzdou diodu staˇc´ı prov´est jedno mˇeˇren´ı.
´ Ukol 2. – Odpojte zdroj a sestavte obvod pro mˇeˇren´ı napˇet´ı a proudu diodou dle sch´ematu: R
V A V analogii s pˇredchoz´ım u ´kolem pouˇzijte ochrann´ y odpor R. Jakou zvol´ıte velikost odporu a proˇc? Obvod sestavte ide´ alnˇe tak, abyste mohli odeˇc´ıtat pr˚ uchoz´ı proud amp´ermetrem pˇres dvˇe zbyl´e svorky pro ban´ anky a napˇet´ı pomoc´ı h´aˇckov´ ych sond. – Nechte zapojen´ı zkontrolovat asistentem. – Zmˇeˇrte jejich V-A charakteristiku v propustn´em smˇeru pro alespoˇ n tˇri diody, ide´alnˇe pro vˇsechny. Jejich pr˚ ubˇeh bude podobn´ y jako na obr. 1b. Kaˇzdou diodu promˇeˇrte od nulov´eho napˇet´ı aˇz po napˇet´ı, pˇri kter´em diodou prot´ek´a maxim´aln´ı povolen´ y proud. Tomu vˇetˇsinou odpov´ıd´ a minim´alnˇe 10 vhodnˇe zvolen´ ych hodnot napˇet´ı. – V r´amci dom´ ac´ıho vyhodnocen´ı v´ ysledk˚ u proloˇzte zmˇeˇren´e body vztahem 1. – Co lze z namˇeˇren´ ych hodnot ˇr´ıci o rozd´ılu mezi norm´aln´ımi a LED diodami? V ˇcem se liˇs´ı LED diody r˚ uzn´ ych barev? Dovedete vysvˇetlit proˇc?
´ Ukol 3. – Ve stejn´em zapojen´ı jako u ´kolu 2, otoˇcte polaritu zdroje a promˇeˇrte diody v z´avˇern´e oblasti. Kter´a dioda m´ a nejniˇzˇs´ı deklarovan´e pr˚ urazn´e napˇet´ı? – Pokuste se diodu prorazit v z´ avˇern´em smˇeru. Kter´a dioda my mˇela j´ıt zniˇcit nejsn´aze? Jde to? Pokud bude potˇreba pouˇzijte s´eriov´e zapojen´ı obou kan´al˚ u zdroje. Nezapomeˇ nte omezit maxim´aln´ı proud, abyste neniˇcili zdroj.
6
´ Ukol 4. – Sestavte obvod pro signalizaci velikosti napˇet´ı dle sch´ematu:
R1
R2
R3
R4
Urˇcete nutn´e velikosti odpor˚ u. Pokud u ´kol nestihnete na hodinˇe, zkuste pouˇz´ıt simul´ator. – Co by se stalo, pokud bychom nam´ısto stejnosmˇern´eho zdroje pouˇzili stˇr´ıdav´ y o napˇet´ı 220V? Dok´aˇzete obvod upravit tak, aby fungoval i v takov´emto pˇr´ıpadˇe?
7
