Voltampérová charakteristika diody

Transkript

1 Voltampérová charakteristika diody 1 Cíle měření Cílem měření je seznámit se diodou jako s jedním ze základních prvků elektrických obvodů. V rámci úlohy změříte voltampérovou charakteristiku (závislost protékajícího proudu na přiloženém napětí) různých diod. Při této příležitosti se také naučíte základy navrhování a práce s elektrickými obvody v laboratoři. Pracovní úkoly 1. Pro několik LED diod změřte velikost prahového napětí. Změřte proud v propustném směru, při kterém dojde k destrukci diody. Porovnejte výsledky s údaji deklarovanými výrobcem. 2. Pro pět různých diod změřte voltampérovou charakteristiku v propustném směru. Změřená data proložte Schockleyho rovnicí. Bonusové 3. Změřte velikost zbytkového proudu v závěrné oblasti.zkuste určit velikost průrazného napětí pro LED diodu. Srovnejte s údaji výrobce. 4. Sestavte obvod pro signalizaci velikosti napětí. Určete nutné velikosti odporů. 2 Pomůcky Laboratorní zdroj (0-24V), nepájivé pole, 2 digitální multimetr, sada diod, 2 kabel s měřícími hačky. 3 Základní pojmy a vztahy: 3.1 Dioda U ohmického odporu, dle Ohmova zákona, proud roste lineárně s přiloženým napětím (I = U/R). Dioda, které se budeme věnovat v tomto měření, je naopak nejjednodušším nelineárním prvkem elektrických obvodů. Použití nelineárních prvků umožňuje konstruovat elektrické obvody s různými, často i složitými funkcemi. Porozumět jejich principu a funkci je důležité pro jejich správné používání. Diody jsou většinou vyrobeny spojením dvou polovodičů, jednoho typu P (s děrovou vodivostí) a druhého typu N (s elektronovou vodivostí). Na rozhraní těchto dvou materiálů, tak zvaném P-N přechodu, jak již možná víte, vznikne vrstva, ve které rekombinují elektrony a díry. Tato přechodová oblast má tu velmi důležitou vlastnost, že v jednom, tak zvaném závěrném směru vůbec nepropouští proud (nebo jen velmi nepatrně). Ve směru opačném, tak zvaném propustném pak dioda od dosažení jistého prahového napětí začíná vést proud a její odpor rychle klesá se zvětšujícím se napětím. Dioda tak v elektrických obvodech funguje v podstatě jako jednosměrná propust. Voltampérovou charakteristiku ideální diody si pak lze zjednodušeně představit dle obrázku 1a, kde V F je prahové napětí. Chování reálné diody lze dobře popsat Schockleyho rovnicí: ( ) I = I S e V D nv T 1, (1) 1

2 kde I je proud procházející diodou, V D je napětí přiložené na diodu, I S je závěrný saturační proud, V T je tzv. tepelné napětí. n je činitel kvality, který se pohybuje od 1 do 2 v závislosti na výrobním procesu a materiálu polovodiče. V mnoha případech se dá uvažovat jako přibližně rovný 1 (pak n z rovnice vypadne). V T pak závisí na teplotě podle V T = kt/q, kde k = JK 1 je Botzmannova konstanta, T je absolutní teplota v Kelvinech a q = C je náboj elektronu. Při pokojové teplotě T = 300K je tedy V T = 25.2mV. (a) (b) Obrázek 1: Schematický nákres voltampérové charakteristiky a)ideální diody a b)reálné diody. V schématech elektrických obvodů se dioda nejčastěji značí tak jako na obrázku 2. V propustném směru teče diodou proud ve směru z anody (+) na katodu (-). U většiny diod je katoda a anoda rozlišena bud pomocí barevného proužku (u katody), rozdílné délky nožiček (kratší u katody) a nebo asymetrickým pouzdrem. Obrázek 2: Schematické značení diod a určení polarity. Použitým materiálem a konstrukcí diody lze měnit základní parametry a oblast použití konkrétní diody. Nejdůležitější parametry, které je třeba brát v potaz při výběru diod jsou: Prahové napětí je napětí v což je napětí v propustném směru, při kterém dojde k jejímu otevření a diodou začne protékat proud. Toto napětí závisí na materiálu diody. Maximální proud v propustném směru je maximální proud, který může diodou dlouhodobě protékat aniž by došlo k jejímu zničení v důsledku přehřátí. Někdy se místo maximálního proudu používá maximální výkonová ztráta (W = U I). 2

3 Dynamický odpor je dán sklonem V-A charakteristiky ( du di ) v daném bodě v propustném směru. Maximální závěrné napětí je maximální napětí, které dioda v opačném směru udrží, aniž by se prorazila. U běžných, křemíkových diod se pohybuje od 50V do 1500V. Naopak u LED diod bývá malý, proto nejsou vhodné pro usměrňování proudu. Průrazné napětí je elektrické napětí, které způsobí při zapojení v závěrném směru zničení přechodu P-N. Zbytkový proud je velmi malý proud, který prochází diodou v závěrném směru. Ideální dioda zobrazená na obrázku 1a by pak teoreticky měla mít nulové prahové napětí, nekonečný maximální proud v propustném směru, nulový dynamický odpor, nekonečné maximální závěrné napětí a nulový zbytkový proud. Právě velmi nízká hodnota dynamického odporu v propustném směru způsobuje, že na otevřené diodě je v podstatě konstantní úbytek napětí pro velké rozmezí velikosti procházejícího proudu. 3.2 Laboratorní zdroj Pokud jste nikdy nepracovali s laboratorním zdrojem, přečtěte si pozorně tuto kapitolu. Laboratorní zdroje, obdobně jako například baterie slouží jako zdroj energie pro elektrické obvody. Na rozdíl od baterií však mají vlastnosti a funkce důležité pro využití v laboratorních experimentech. Tyto regulované zdroje nejenže většinou dovolují měnit úroveň napětí, ale dokáží udržet stabilní hladinu napětí i při změnách odběru proudu, což je velmi důležité pro experimentální účely. Velká část laboratorních zdrojů je konstruována obdobně jako typ na obrázku 3. Obrázek 3: Stabilizovaný řiditelný zdroj. Tento zdroj má dva řiditelné kanály (0-24V) s proudovou ochranou a jeden pevný (5V). V nejjednodušším případě se používá pouze jeden výstupní kanál (CH1 - viz obrázek). Standardně lze ovládat výstupní napětí na svorkách + (červená) a (zelená) pomocí otočného knoflíku Volts. Při práci v laboratoři a při konstrukci různých elektrických zařízení může dojít k chybám jako například nechtěné zkratování obvodu, nebo špatné zapojení měřicího přístroje na krátko, při kterém by jím procházel velký proud. Takovéto události mohou vést k nechtěně velkým proudům a v důsledku toho ke zničení drahého vybavení, popřípadě i k úrazu. Pro tyto účely jsou laboratorní zdroje vybaveny 3

4 také nastavitelným omezovačem proudu. V tomto případě pomocí otočného knoflíku Current. Pokud je omezovač proudu nastaven na určitou hodnotu (pozor na displeji nemusí být vidět), pak lze zdroj stále ovládat pomocí nastavení napětí (svítí kontrolka CV ) až do momentu, kdy při zvyšování napětí proud poskytovaný zdrojem dosáhne nastavené hodnotu. Poté již zdroj přestane reagovat na knoflík napětí a rozsvítí se kontrolka CC. Obdobně pokud při experimentu dojde například ke zkratu a proud naroste nad nastavenou úroveň, zdroj sám sníží napětí tak, aby se procházející proud dostal na limitní hodnotu. Tato funkce má nejen bezpečnostní charakter, ale i praktické využití. V režimu, kdy je nastaveno o něco vyšší než požadované napětí a zdroj je limitován proudem (svítí kontrolka CC ), lze zdroj ovládat pomocí nastavení proudu a použít jej jako zdroj konstantního proudu. V každém případě je ale pravidlem, že i přes tyto funkce se žádný zdroj se nesmí spojovat na krátko, tj. přímé spojení + a - bez zátěže. Jak je vidět na obrázku 3 zdroj má také černé zdířky. Ty jsou propojeny s nulovým vodičem zásuvky, do které je připojen celý zdroj a umožňují nastavit výchozí napětí vzhledem k potenciálu země. Propojením s jedním z výstupů napětí lze získat kladné, nebo záporné napětí vzhledem k zemi. To je důležité například pro přenos šumu, nebo při měření osciloskopem. Pokud zdroj není připojen k zemi pracuje jako tzv. plovoucí (stejně jako třeba klasická baterie). Z obrázku 3 lze tedy vidět, že kanál 3 s pevným napětí dává vždy kladných +5V vzhledem k zemi. Vzhledem k tomu, že zdroje má i další řiditelný a neřiditelný výstup, lze nezávisle napájet i další zařízení. Oba řiditelné kanály lze však i zapojit tak, aby šlo zvětšit celkový napět ový popřípadě proudový rozsah zdroje. Oba kanály lze propojením na obrázku 4a spojit sériově a získat tak zdroj až dvojnásobného napětí. Oba kanály lze také spojit paralelně 4b a získat zdroj se stejným rozsahem napětí avšak s dvojnásobným maximálním proudem. I v tomto případě lze využít propojení se zemí. Zvláště v případě paralelního připojení je vhodné (ne-li nutné) využít možnosti společného řízení obou zdrojů. Při tisknutém tlačítku Mode mezi oběma kanály jsou oba kanály řízeny společně pomocí ovládání napětí na prvním kanálu. Oba kanály pak dávají stejné napětí na výstupu. Pozor, v tomto režimu však stále fungují omezovače proudu nezávisle pro oba kanály. (a) Paralelně zapojené kanály zdroje. (b) Sériově zapojené kanály zdroje. Obrázek 4: Možná propojení výstupních kanálů n alaboratorním zdroji. 4

5 3.3 Nepájivé pole Navrhování a testování elektrických obvodů je běžnou součástí laboratorní práce. Sestavení, otestování a především pozměňování obvodu, který obsahuje několik součástek, může být vcelku nepřehledné. K rychlému a pohodlnému sestavení obvodů bez nutnosti pájet slouží nepájivé pole (NP), anglicky breadboard. Obrázek 5: Nepájivé pole a zadní pohled na propojení jednotlivých dírek. Velmi dobře je princip použití nepájivého pole popsán například zde: learn.sparkfun.com/ tutorials/how-to-use-a-breadboard. V dnešní době existují online simulátory, kde si lze vyzkoušet práci při návrhu elektrických obvodů na nepájivém poli. Pokud jste nikdy s nepájivým polem nepracovali, zkuste si vytvořit jednoduchý obvod (např. baterie, spínač, žárovka) zde: 123d.circuits.io 4 Postup měření Úkol 1. Vyberte si jednu LED diodu. Ověřte si propustný a závěrný směr diody na testeru diod na multimetru. Diodu připojíte pomocí vodiče s malými háčky na konci krytými izolačním plastem. Pozor na zkratování kontaktů. Vyberte si jeden z nastavitelných výstupů zdroje elektrického napětí, nastavte napětí na nulu a připojte zdroj banánky k příslušným konektorům na nepájivém poli (NP). Tyto konektory mají v oblasti závitů otvor pro připojení propojovacích drátků k samotnému NP. Je dobrým zvykem vyvést zdroj k nejlépe k vyznačeným liniím (+ červená, modrá). Připojte diodu ke zdroji: Postupně zvyšujte napětí na zdroji. Při jakém prahovém napětí(přibližně) začne diodou protékat proud (LED dioda začne svítit). 5

6 Co se stane při postupném zvyšování napětí? Při jakém napětí a proudu (opět přibližně) dojde ke zničení diody? Srovnejte výsledky s parametry uváděnými výrobcem na přiloženém letáku. Takto získáte představu o tom, jaký proud je pro diodu krátkodobě snesitelný. Proved te obdobně měření prahového napětí pro ostatní diody s tím rozdílem, že využijete nastavení omezovače proudu na zdroji k tomu, abyste nepřesáhli bezpečnou velikost proudu. Pro každou diodu stačí provést jedno měření. Úkol 2. Odpojte zdroj a sestavte obvod pro měření napětí a proudu diodou dle schématu: R A V analogii s předchozím úkolem použijte ochranný odpor R. Jakou zvolíte velikost odporu a proč? Obvod sestavte ideálně tak, abyste mohli odečítat průchozí proud ampérmetrem přes dvě zbylé svorky pro banánky a napětí pomocí háčkových sond. Nechte zapojení zkontrolovat asistentem. Změřte jejich V-A charakteristiku v propustném směru pro alespoň tři diody, ideálně pro všechny. Jejich průběh bude podobný jako na obr. 1b. Každou diodu proměřte od nulového napětí až po napětí, při kterém diodou protéká maximální povolený proud. Tomu většinou odpovídá minimálně 10 vhodně zvolených hodnot napětí. V rámci domácího vyhodnocení výsledků proložte změřené body vztahem 1. Co lze z naměřených hodnot říci o rozdílu mezi normálními a LED diodami? V čem se liší LED diody různých barev? Dovedete vysvětlit proč? Úkol 3. Ve stejném zapojení jako úkolu 2, otočte polaritu zdroje a proměřte diody v závěrné oblasti. Která dioda má nejnižší deklarované průrazné napětí? Pokuste se diodu prorazit v závěrném směru. Která dioda my měla jít zničit nejsnáze? Jde to? Pokud bude potřeba použijte sériové zapojení obou kanálů zdroje. Nezapomeňte omezit maximální proud, abyste neničili zdroj. V 6

7 Úkol 4. Sestavte obvod pro signalizaci velikosti napětí dle schématu: R1 R2 R3 R4 Určete nutné velikosti odporů. Pokud úkol nestihnete na hodině, zkuste použít simulátor. Co by se stalo, pokud bychom namísto stejnosměrného zdroje použili střídavý o napětí 220V? Dokážete obvod upravit tak, aby fungoval i v takovémto případě? 7