Voltamp´ erov´ a charakteristika diody 1 C´ ıle mˇ eˇ ren´ ı C´ ılem mˇ eˇ ren´ ı je sezn´ amit se diodou jako s jedn´ ım ze z´ akladn´ ıch prvk˚ u elektrick´ ych obvod˚ u. V r´ amci ´ ulohy zmˇ eˇ r´ ıte voltamp´ erovou charakteristiku (z´ avislost prot´ ekaj´ ıc´ ıho proudu na pˇ riloˇ zen´ em napˇ et´ ı) r˚ uzn´ ych diod. Pˇ ri t´ eto pˇ r´ ıleˇ zitosti se tak´ e nauˇ c´ ıte z´ aklady navrhov´ an´ ı a pr´ ace s elektrick´ ymi obvody v laboratoˇ ri. Pracovn´ ı´ ukoly 1. Pro nˇ ekolik LED diod zmˇ eˇ rte velikost prahov´ eho napˇ et´ ı. Zmˇ eˇ rte proud v propustn´ em smˇ eru, pˇ ri kter´ em dojde k destrukci diody. Porovnejte v´ ysledky s ´ udaji deklarovan´ ymi v´ yrobcem. 2. Pro pˇ et r˚ uzn´ ych diod zmˇ eˇ rte voltamp´ erovou charakteristiku v propustn´ em smˇ eru. Zmˇ eˇ ren´ a data proloˇ zte Schockleyho rovnic´ ı. Bonusov´ e 3. Zmˇ eˇ rte velikost zbytkov´ eho proudu v z´ avˇ ern´ e oblasti.Zkuste urˇ cit velikost pr˚ urazn´ eho napˇ et´ ı pro LED diodu. Srovnejte s ´ udaji v´ yrobce. 4. Sestavte obvod pro signalizaci velikosti napˇ et´ ı. Urˇ cete 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 mˇ eˇ r´ ıc´ ımi haˇ cky. 3 Z´ akladn´ ı pojmy a vztahy: 3.1 Dioda U ohmick´ eho odporu, dle Ohmova z´ akona, proud roste line´ arnˇ e s pˇ riloˇ zen´ ym napˇ et´ ım (I = U/R). Dioda, kter´ e se budeme vˇ enovat v tomto mˇ eˇ ren´ ı, je naopak nejjednoduˇ sˇ s´ ım neline´ arn´ ım prvkem elek- trick´ ych obvod˚ u. Pouˇ zit´ ı neline´ arn´ ıch prvk˚ u umoˇ zˇ nuje konstruovat elektrick´ e obvody s r˚ uzn´ ymi, ˇ casto i sloˇ zit´ ymi funkcemi. Porozumˇ et jejich principu a funkci je d˚ uleˇ zit´ e pro jejich spr´ avn´ e pouˇ z´ ıv´ an´ ı. Diody jsou vˇ etˇ sinou vyrobeny spojen´ ım dvou polovodiˇ c˚ u, jednoho typu “P“(s dˇ erovou vodivost´ ı) a druh´ eho typu “N”(s elektronovou vodivost´ ı). Na rozhran´ ı tˇ echto dvou materi´ al˚ u, tak zvan´ em P-N pˇ rechodu, jak jiˇ z moˇ zn´ a v´ ıte, vznikne vrstva, ve kter´ e rekombinuj´ ı elektrony a d´ ıry. Tato pˇ rechodov´ a oblast m´ a tu velmi d˚ uleˇ zitou vlastnost, ˇ ze v jednom, tak zvan´ em z´avˇ ern´ em smˇ eru v˚ ubec nepropouˇ st´ ı proud (nebo jen velmi nepatrnˇ e). Ve smˇ eru opaˇ cn´ em, tak zvan´ em propustn´ em pak dioda od dosaˇ zen´ ı jist´ eho prahov´ eho napˇ et´ ı zaˇ c´ ın´ a v´ est proud a jej´ ı odpor rychle kles´ a se zvˇ etˇ suj´ ıc´ ım se napˇ et´ ım. Dioda tak v elektrick´ ych obvodech funguje v podstatˇ e jako jednosmˇ ern´ a propust ’ . Voltamp´ erovou charak- teristiku ide´ aln´ ı diody si pak lze zjednoduˇ senˇ e pˇ redstavit dle obr´ azku 1a, kde V F je prahov´ e napˇ et´ ı. Chov´ an´ ı re´ aln´ e diody lze dobˇ re popsat Schockleyho rovnic´ ı: I = I S e V D nV T - 1 , (1) 1
Transcript
Voltamperova charakteristika diody
1 Cıle merenı
Cılem merenı je seznamit se diodou jako s jednım ze zakladnıch prvku elektrickych obvodu. V ramciulohy zmerıte voltamperovou charakteristiku (zavislost protekajıcıho proudu na prilozenem napetı)ruznych diod. Pri teto prılezitosti se take naucıte zaklady navrhovanı a prace s elektrickymi obvodyv laboratori.
Pracovnı ukoly
1. Pro nekolik LED diod zmerte velikost prahoveho napetı. Zmerte proud v propustnem smeru, prikterem dojde k destrukci diody. Porovnejte vysledky s udaji deklarovanymi vyrobcem.
2. Pro pet ruznych diod zmerte voltamperovou charakteristiku v propustnem smeru. Zmerena dataprolozte Schockleyho rovnicı.
Bonusove
3. Zmerte velikost zbytkoveho proudu v zaverne oblasti.Zkuste urcit velikost prurazneho napetı proLED diodu. Srovnejte s udaji vyrobce.
4. Sestavte obvod pro signalizaci velikosti napetı. Urcete nutne velikosti odporu.
2 Pomucky
Laboratornı zdroj (0-24V), nepajive pole, 2×digitalnı multimetr, sada diod, 2× kabel s merıcımi hacky.
3 Zakladnı pojmy a vztahy:
3.1 Dioda
U ohmickeho odporu, dle Ohmova zakona, proud roste linearne s prilozenym napetım (I = U/R).Dioda, ktere se budeme venovat v tomto merenı, je naopak nejjednodussım nelinearnım prvkem elek-trickych obvodu. Pouzitı nelinearnıch prvku umoznuje konstruovat elektricke obvody s ruznymi, castoi slozitymi funkcemi. Porozumet jejich principu a funkci je dulezite pro jejich spravne pouzıvanı.
Diody jsou vetsinou vyrobeny spojenım dvou polovodicu, jednoho typu “P“(s derovou vodivostı)a druheho typu “N”(s elektronovou vodivostı). Na rozhranı techto dvou materialu, tak zvanem P-Nprechodu, jak jiz mozna vıte, vznikne vrstva, ve ktere rekombinujı elektrony a dıry. Tato prechodovaoblast ma tu velmi dulezitou vlastnost, ze v jednom, tak zvanem zavernem smeru vubec nepropoustıproud (nebo jen velmi nepatrne). Ve smeru opacnem, tak zvanem propustnem pak dioda od dosazenıjisteho prahoveho napetı zacına vest proud a jejı odpor rychle klesa se zvetsujıcım se napetım. Diodatak v elektrickych obvodech funguje v podstate jako jednosmerna propust’. Voltamperovou charak-teristiku idealnı diody si pak lze zjednodusene predstavit dle obrazku 1a, kde VF je prahove napetı.Chovanı realne diody lze dobre popsat Schockleyho rovnicı:
I = IS
(e
VDnVT − 1
), (1)
1
kde I je proud prochazejıcı diodou, VD je napetı prilozene na diodu, IS je zaverny saturacnı proud, VT jetzv. tepelne napetı. n je cinitel kvality, ktery se pohybuje od 1 do 2 v zavislosti na vyrobnım procesua materialu polovodice. V mnoha prıpadech se da uvazovat jako priblizne rovny 1 (pak n z rovnicevypadne). VT pak zavisı na teplote podle VT = kT/q, kde k = 1.38 × 10−23JK−1 je Botzmannovakonstanta, T je absolutnı teplota v Kelvinech a q = 1.6 × 10−19C je naboj elektronu. Pri pokojoveteplote T = 300K je tedy VT = 25.2mV .
V schematech elektrickych obvodu se dioda nejcasteji znacı tak jako na obrazku 2. V propustnemsmeru tece diodou proud ve smeru z anody (+) na katodu (-). U vetsiny diod je katoda a anodarozlisena bud’ pomocı barevneho prouzku (u katody), rozdılne delky nozicek (kratsı u katody) a neboasymetrickym pouzdrem.
Obrazek 2: Schematicke znacenı diod a urcenı polarity.
Pouzitym materialem a konstrukcı diody lze menit zakladnı parametry a oblast pouzitı konkretnıdiody. Nejdulezitejsı parametry, ktere je treba brat v potaz pri vyberu diod jsou:
• Prahove napetı je napetı v coz je napetı v propustnem smeru, pri kterem dojde k jejımuotevrenı a diodou zacne protekat proud. Toto napetı zavisı na materialu diody.
• Maximalnı proud v propustnem smeru je maximalnı proud, ktery muze diodou dlouhodobeprotekat aniz by doslo k jejımu znicenı v dusledku prehratı. Nekdy se mısto maximalnıho proudupouzıva maximalnı vykonova ztrata (W = UI).
2
• Dynamicky odpor je dan sklonem V-A charakteristiky (dUdI ) v danem bode v propustnemsmeru.
• Maximalnı zaverne napetı je maximalnı napetı, ktere dioda v opacnem smeru udrzı, aniz byse prorazila. U beznych, kremıkovych diod se pohybuje od 50V do 1500V. Naopak u LED diodbyva maly, proto nejsou vhodne pro usmernovanı proudu.
• Prurazne napetı je elektricke napetı, ktere zpusobı pri zapojenı v zavernem smeru znicenıprechodu P-N.
• Zbytkovy proud je velmi maly proud, ktery prochazı diodou v zavernem smeru.
Idealnı dioda zobrazena na obrazku 1a by pak teoreticky mela mıt nulove prahove napetı, nekonecnymaximalnı proud v propustnem smeru, nulovy dynamicky odpor, nekonecne maximalnı zaverne napetıa nulovy zbytkovy proud. Prave velmi nızka hodnota dynamickeho odporu v propustnem smeruzpusobuje, ze na otevrene diode je v podstate konstantnı ubytek napetı pro velke rozmezı velikostiprochazejıcıho proudu.
3.2 Laboratornı zdroj
Pokud jste nikdy nepracovali s laboratornım zdrojem, prectete si pozorne tuto kapitolu.
Laboratornı zdroje, obdobne jako naprıklad baterie slouzı jako zdroj energie pro elektricke obvody.Na rozdıl od bateriı vsak majı vlastnosti a funkce dulezite pro vyuzitı v laboratornıch experimentech.Tyto regulovane zdroje nejenze vetsinou dovolujı menit uroven napetı, ale dokazı udrzet stabilnı hlad-inu napetı i pri zmenach odberu proudu, coz je velmi dulezite pro experimentalnı ucely. Velka castlaboratornıch zdroju je konstruovana obdobne jako typ na obrazku 3.
Obrazek 3: Stabilizovany riditelny zdroj.
Tento zdroj ma dva riditelne kanaly (0-24V) s proudovou ochranou a jeden pevny (5V). V ne-jjednodussım prıpade se pouzıva pouze jeden vystupnı kanal (CH1 - viz obrazek). Standardne lzeovladat vystupnı napetı na svorkach + (cervena) a –(zelena) pomocı otocneho knoflıku
”Volts“. Pri
praci v laboratori a pri konstrukci ruznych elektrickych zarızenı muze dojıt k chybam jako naprıkladnechtene zkratovanı obvodu, nebo spatne zapojenı mericıho prıstroje na kratko, pri kterem by jımprochazel velky proud. Takoveto udalosti mohou vest k nechtene velkym proudum a v dusledku tohoke znicenı draheho vybavenı, poprıpade i k urazu. Pro tyto ucely jsou laboratornı zdroje vybaveny
3
take nastavitelnym omezovacem proudu. V tomto prıpade pomocı otocneho knoflıku”Current“. Pokud
je omezovac proudu nastaven na urcitou hodnotu (pozor na displeji nemusı byt videt), pak lze zdrojstale ovladat pomocı nastavenı napetı (svıtı kontrolka
”CV”) az do momentu, kdy pri zvysovanı napetı
proud poskytovany zdrojem dosahne nastavene hodnotu. Pote jiz zdroj prestane reagovat na knoflıknapetı a rozsvıtı se kontrolka
”CC”. Obdobne pokud pri experimentu dojde naprıklad ke zkratu a
proud naroste nad nastavenou uroven, zdroj sam snızı napetı tak, aby se prochazejıcı proud dostal nalimitnı hodnotu. Tato funkce ma nejen bezpecnostnı charakter, ale i prakticke vyuzitı. V rezimu, kdyje nastaveno o neco vyssı nez pozadovane napetı a zdroj je limitovan proudem (svıtı kontrolka
”CC”),
lze zdroj ovladat pomocı nastavenı proudu a pouzıt jej jako zdroj konstantnıho proudu. V kazdemprıpade je ale pravidlem, ze i pres tyto funkce se zadny zdroj se nesmı spojovat na kratko, tj. prımespojenı + a - bez zateze. Jak je videt na obrazku 3 zdroj ma take cerne zdırky. Ty jsou propojeny snulovym vodicem zasuvky, do ktere je pripojen cely zdroj a umoznujı nastavit vychozı napetı vzhle-dem k potencialu zeme. Propojenım s jednım z vystupu napetı lze zıskat kladne, nebo zaporne napetıvzhledem k zemi. To je dulezite naprıklad pro prenos sumu, nebo pri merenı osciloskopem. Pokudzdroj nenı pripojen k zemi pracuje jako tzv.
”plovoucı“ (stejne jako treba klasicka baterie). Z obrazku
3 lze tedy videt, ze kanal 3 s pevnym napetı dava vzdy kladnych +5V vzhledem k zemi.Vzhledem k tomu, ze zdroje ma i dalsı riditelny a neriditelny vystup, lze nezavisle napajet i
dalsı zarızenı. Oba riditelne kanaly lze vsak i zapojit tak, aby slo zvetsit celkovy napet’ovy poprıpadeproudovy rozsah zdroje. Oba kanaly lze propojenım na obrazku 4a spojit seriove a zıskat tak zdrojaz dvojnasobneho napetı. Oba kanaly lze take spojit paralelne 4b a zıskat zdroj se stejnym rozsahemnapetı avsak s dvojnasobnym maximalnım proudem. I v tomto prıpade lze vyuzıt propojenı se zemı.Zvlaste v prıpade paralelnıho pripojenı je vhodne (ne-li nutne) vyuzıt moznosti spolecneho rızenı obouzdroju. Pri tisknutem tlacıtku
”Mode“ mezi obema kanaly jsou oba kanaly rızeny spolecne pomocı
ovladanı napetı na prvnım kanalu. Oba kanaly pak davajı stejne napetı na vystupu. Pozor, v tomtorezimu vsak stale fungujı omezovace proudu nezavisle pro oba kanaly.
(a) Paralelne zapojene kanaly zdroje.
(b) Seriove zapojene kanaly zdroje.
Obrazek 4: Mozna propojenı vystupnıch kanalu n alaboratornım zdroji.
4
3.3 Nepajive pole
Navrhovanı a testovanı elektrickych obvodu je beznou soucastı laboratornı prace. Sestavenı, otestovanıa predevsım pozmenovanı obvodu, ktery obsahuje nekolik soucastek, muze byt vcelku neprehledne.K rychlemu a pohodlnemu sestavenı obvodu bez nutnosti pajet slouzı nepajive pole (NP), anglicky
”breadboard“.
Obrazek 5: Nepajive pole a zadnı pohled na propojenı jednotlivych dırek.
Velmi dobre je princip pouzitı nepajiveho pole popsan naprıklad zde: learn.sparkfun.com/
tutorials/how-to-use-a-breadboard . V dnesnı dobe existujı online simulatory, kde si lze vyzkousetpraci pri navrhu elektrickych obvodu na nepajivem poli. Pokud jste nikdy s nepajivym polem nepra-covali, zkuste si vytvorit jednoduchy obvod (napr. baterie, spınac, zarovka) zde: 123d.circuits.io
4 Postup merenı
Ukol 1.
– Vyberte si jednu LED diodu.
– Overte si propustny a zaverny smer diody na testeru diod na multimetru. Diodu pripojıte pomocıvodice s malymi hacky na konci krytymi izolacnım plastem. Pozor na zkratovanı kontaktu.
– Vyberte si jeden z nastavitelnych vystupu zdroje elektrickeho napetı, nastavte napetı na nulu apripojte zdroj bananky k prıslusnym konektorum na nepajivem poli (NP). Tyto konektory majıv oblasti zavitu otvor pro pripojenı propojovacıch dratku k samotnemu NP. Je dobrym zvykemvyvest zdroj k nejlepe k vyznacenym liniım (+ cervena,− modra).
Pripojte diodu ke zdroji:
– Postupne zvysujte napetı na zdroji. Pri jakem prahovem napetı(priblizne) zacne diodou protekatproud (LED dioda zacne svıtit).
– Co se stane pri postupnem zvysovanı napetı? Pri jakem napetı a proudu (opet priblizne) dojdeke znicenı diody?
– Srovnejte vysledky s parametry uvadenymi vyrobcem na prilozenem letaku. Takto zıskate predstavuo tom, jaky proud je pro diodu kratkodobe snesitelny.
– Proved’te obdobne merenı prahoveho napetı pro ostatnı diody s tım rozdılem, ze vyuzijete nas-tavenı omezovace proudu na zdroji k tomu, abyste nepresahli bezpecnou velikost proudu.Pro kazdou diodu stacı provest jedno merenı.
Ukol 2.
– Odpojte zdroj a sestavte obvod pro merenı napetı a proudu diodou dle schematu:R
V
AV analogii s predchozım ukolem pouzijte ochranny odpor R. Jakou zvolıte velikost odporu aproc? Obvod sestavte idealne tak, abyste mohli odecıtat pruchozı proud ampermetrem pres dvezbyle svorky pro bananky a napetı pomocı hackovych sond.
– Nechte zapojenı zkontrolovat asistentem.
– Zmerte jejich V-A charakteristiku v propustnem smeru pro alespon tri diody, idealne pro vsechny.Jejich prubeh bude podobny jako na obr. 1b. Kazdou diodu promerte od nuloveho napetı azpo napetı, pri kterem diodou proteka maximalnı povoleny proud. Tomu vetsinou odpovıdaminimalne 10 vhodne zvolenych hodnot napetı.
– V ramci domacıho vyhodnocenı vysledku prolozte zmerene body vztahem 1.
– Co lze z namerenych hodnot rıci o rozdılu mezi normalnımi a LED diodami? V cem se lisı LEDdiody ruznych barev? Dovedete vysvetlit proc?
Ukol 3.
– Ve stejnem zapojenı jako ukolu 2, otocte polaritu zdroje a promerte diody v zaverne oblasti.Ktera dioda ma nejnizsı deklarovane prurazne napetı?
– Pokuste se diodu prorazit v zavernem smeru. Ktera dioda my mela jıt znicit nejsnaze? Jdeto? Pokud bude potreba pouzijte seriove zapojenı obou kanalu zdroje. Nezapomente omezitmaximalnı proud, abyste nenicili zdroj.
6
Ukol 4.
– Sestavte obvod pro signalizaci velikosti napetı dle schematu:
R1 R2 R3 R4
Urcete nutne velikosti odporu.Pokud ukol nestihnete na hodine, zkuste pouzıt simulator.
– Co by se stalo, pokud bychom namısto stejnosmerneho zdroje pouzili strıdavy o napetı 220V?Dokazete obvod upravit tak, aby fungoval i v takovemto prıpade?
![SEGU N D A PA RTE: LA OBRA D E PED RO RA BA SSA Y SU D …...[Sobrino] Miguel Rabassa ca. 1756-1787 Madrid Organista [Sobrino o hermano] Gaspar Rabassa ca. 1770-1789 Sevilla Cantor](https://static.dokumenty.site/doc/80x56/5fb7f6a0c3356e70bd2b0a88/segu-n-d-a-pa-rte-la-obra-d-e-ped-ro-ra-ba-ssa-y-su-d-sobrino-miguel-rabassa.jpg)
