Universita Pardubice Ústav elektrotechniky a informatiky
Elektronické součástky Laboratorní cvičení č.1
VOLTAMPÉROVÉ CHARAKTERISTIKY DIOD
Jméno: Pavel Čapek, Aleš Doležal, Lukáš Kadlec, Luboš Rejfek Studijní skupina:2 Datum: 4.3.2007
VOLTAMPÉROVÉ CHARAKTERISTIKY DIOD Úkol: Změřit voltampérovou charakteristiku zadaných druhů diod, nakreslit jejich grafickou podobu a stanovit graficky dynamický odpor diod v propustném směru a Zenerovy diody v nepropustném směru při zadané hodnotě proudu. Porovnat jednotlivé druhy diod mezi sebou s hlediska použití a velikosti charakteristického napětí diody v v propustném směru. Zadané druhy diod jsou následující: a) usměrňovací dioda typu 1N 4007 b) světelná dioda LED zelené popř. červené barvy c) Zenerova dioda C 5V1 Voltampérové charakteristiky diod a) a c) se budou měřit v obou směrech (propustném i nepropustném). Obecná část: Z teorie funkce polovodičových přechodů P-N, ze kterých se dioda skládá, můžeme odvodit přibližný tvar voltampérové charakteristiky. Zatímco při polarizaci diody v nepropustném směru protéká diodou, až do určité hodnoty průrazného napětí, pouze zanedbatelně veliký zbytkový proud, polarizace diody v propustném směru umožňuje průchod proudu ID exponenciálního tvaru, jehož velikost je závislá na velikosti přiloženého napětí UD v propustném směru – ID=IS (exp δUD -1). Voltampérová charakteristika je tedy závislost ID = f (UD). Všechny měřené diody dle a) – c) mají přibližně stejný průběh voltampérové charakteristiky v propustném směru, pouze napětí v propustném směru na diodě LED je s hlediska technologického řešení vyšší než u diod usměrňovacích popř. Zenerových diod. S hlediska použití se Zenerova dioda využívá k stabilizaci napětí, k tomu slouží specielní vlastnosti této diody v nepropustném směru, kdy malý dynamický odpor závěrné charakteristiky v oblasti Zenerova napětí ∆u / ∆i umožňuje pouze velmi malé změny napětí při velkých změnách proudu. Na Obr. 1 jsou znázorněny zjednodušené voltampérové charakteristiky jednotlivých diod s využitím přímkové aproximace charakteristik. Zenerova dioda 1N4.... LED ID
ID
UZ (Zenerovo napětí) 0,5 V
IS
~2,1 V
0,5 V
UD
UD
Obr. 1 Aproximované voltampérové charakteristiky diod
2
Postup práce: Schéma zapojení je na Obr. 2. První multimetr použijte jako ampérmetr pro měření proudu diodou, druhý pak bude sloužit jako voltmetr, kterým se bude měřit napětí na diodě. Při měření voltampérových charakteristik je nutné stanovit více měřících bodů v oblasti tzv. kolena charakteristiky, což je oblast proudu při přechodu z končícího nevodivého stavu do lineární částí charakteristiky. Při měření v nepropustném části voltampérové charakteristiky použijeme místo multimetru pro měření malých proudů pikoampérmetr. Při každém měření ve zpětném směru odpojíme po nastavení napětí multimetr, abychom nezatížili měření zpětného proudu chybou. R
ID
A 1N4....
=
UB
UD
V
Obr. 2 Schéma zapojení pro měření V-A charakteristiky diody a) Podle obr. 1 sestavte měřený obvod. Před zapnutím zdroje zkontrolujte důkladně zapojení. Stejným způsobem postupujte pro každou jednotlivou diodu. b) Pomocí stejnosměrného zdroje nastavujte napětí (proud) na diodě Pro každé napětí (proud) změřte proud (napětí) tekoucí diodou. Pro všechna měření nepřekročte velikost proudu 20 mA pro usměrňovací diodu a diodu LED v propustném směru a pro Zenerovou diodu v nepropustném směru. c) Naměřené hodnoty pro jednotlivé diody zapisujte do oddělených tabulek při využití a doplnění správných jednotek (napětí ve voltech, proud v mA). Pro diodu 1N4… stanovte tvar V-A charakteristiky rovněž výpočtem je-li hodnota δ=38,5 V-1. d) Pomocí naměřených údajů v tabulkách sestrojte voltampérové charakteristiky jednotlivých diod. e) Stanovte hodnotu dynamického odporu diod v propustném směru RD= [∆ UD / ∆ ID] při proudu ID= 10 mA. Vyhodnocení: Na základě porovnání sestrojených voltampérových charakteristik a stanovených dynamických odporů proveďte jejich srovnání formou diskuze v závěru práce. Použité přístroje: Regulovatelný zdroj 2x30 V s proudovým omezením 1x, univerzální číslicový multimetr 2x, pikoampermetr TESLA , nepájivé pole k sestavení pracoviště, sériový odpor 1 K. 3
Naměřené hodnoty: DIODA LED Uf [V] 0,2 If [V] 0 2 5,64
0,4 0
0,6 0
0,8 0
0,2 0
0,3 0
0,35 0,002
0,1 0
0,2 0
0,5 0
2,2 2,5 0,001 0,003
2,9 0,015
4,6 1,775
1,4 0
1,6 0,01
1,7 0,02
1,8 0,278
1,9 0,864
0,4 0,45 0,012 0,044
0,5 0,165
0,55 0,451
0,6 1,37
0,65 3,93
0,7 12,65
0,7 0,8
0,75 7,8
0,8 20,1
3 3,5 0,018 0,081
3,7 0,141
4 4,2 0,309 0,522
4,4 0,905
4,5 1,205
0,8 126,8
Zenerova dioda Uf [V] 0 If [V] 0 Ub [V] Ib [V]
1,2 0
2,1 2,2 11,28 17,54
DIODA 1N4007 Uf [V] 0,1 If [V] 0 0,75 35,26
1 0
0 0
4,7 4,8 2,392 3,541
4,9 5,68
0,65 0,63
5 5,1 14,39 25,38
Grafy: Dioda LED
Proud v propustném směru [mA]
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0
0,5
1
1,5
Napětí v propustném směru [V]
4
2
2,5
Dioda 1N4007
Proud v propustném směru [mA]
140 120 100 80 60 40 20 0 -20
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Napětí v propustném směru [V]
Zenerova dioda 5V1 30
Proud diodou [mA]
20 10 0 -6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
-10 -20 -30 Napětí na diodě [V]
Výpočty: Dynamický odpor LED = ∆U / ∆I = 23,17 Ω Dynamický odpor 1N4007 = 1,97 Ω Dynamický odpor Zenerovy diody = 7,7 Ω Závěr: Měření potvrdilo některé teoretické poznatky o polovodičích. Především nutnost vyššího napětí diody LED pro otevření přechodu a její rozsvícení a dále potvrdilo poznatky o stabilizaci napětí pomocí Zenerovy diody. 5
