ΛΗΨΗ ΧΑΡΑΚΣΗΡIΣIΚΩΝ ΔΙΟΔΩΝ ΚΑI ΕΦΑΡΜΟΓΕ

Transcript

1 ΑΚΗΗ 3-35 ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ ΗΛΕΚΣΡΟΝΙΚΩΝ Ονοματεπώνυμο Ημερομηνία Σμήμα ΑΚΗΗ 3 ΛΗΨΗ ΧΑΡΑΚΣΗΡIΣIΚΩΝ ΔΙΟΔΩΝ ΚΑI ΕΦΑΡΜΟΓΕ 3.1 Αντικείμενο άςκηςησ Σα αντικείμενα τθσ άςκθςθσ είvαι κυρίωσ: α) θ λιψθ και θ μελζτθ τωv χαρακτθριςτικϊν καμπυλϊν απλισ διόδου και διόδου Zener και β) θ χριςθ των διόδων ςε διάφορεσ απλζσ εφαρμογζσ, όπωσ κφκλωμα ψαλιδιςμοφ τάςθσ. 3.2 Θεωρητική μελζτη διόδων. Κάκε διπoλικό ςτoιχείo περιγράφεται πλιρωσ όταv είvαι γvωςτι θ ςχζςθ I=f() όπoυ I είvαι τo ρεφμα δια τoυ ςτoιχείoυ και είvαι θ τάςθ ςτα άκρα τoυ ςτoιχείoυ. Η γραφικι παράςταςθ τθσ ςχζςθσ αυτισ απoτελεί τθv Ι- χαρακτηριςτική για κάκε ςτoιχείo. Η ιδανικι δίοδοσ είναι ςτοιχείo κυκλϊματοσ χωρίσ απϊλειεσ, τo oπoίo άγει ρεφμα ανεμπόδιςτα κατά τθν μία φορά ενϊ δεv άγει κατά τθv αντίκετθ φορά. Η ιδανικι αυτι ςυμπεριφορά φαίνεται ςτο χήμα 3-1α. Οι θμιαγωγοί δίοδοι προςεγγίηουν τθ ςυμπεριφορά ιδανικισ διόδου διότι άγουν υψθλά ρεφματα με μικρι πτϊςθ τάςθσ (< 1 olt) κατά τθν μία φορά (ορκι πόλωςθ), ενϊ κατά τθv αντίκετθ φορά επιτρζπουν τθv αγωγι πολφ μικροφ ρεφματοσ. Η χαρακτθριςτικι πραγματικισ θμιαγωγοφ διόδου φαίνεται ςτο χήμα 3-1β. Η χαρακτθριςτικι θμιαγωγοφ διόδου περιγράφεται μακθματικά, με προςζγγιςθ, από τθ ςχζςθ: q I Is e AkT A Is e T 1 1 εξ. 3-1 όπου: I = ρεφμα τθσ διόδου υπό τάςθ I s = ρεφμα κόρου τθσ διόδου q = φορτίο τoυ θλεκτρονίου, 1.6x10-19 Coulomb k = ςτακερά τoυ Boltzmann, 1.38x10-23 Joule/ o K Τ = κερμοκραςία τθσ διόδου ςε o Κ T = 26m ςτουσ 300 o Κ

2 ΑΚΗΗ 3-36 Α = ςτακερά με τιμι περίπου μονάδα πoυ απoτελεί χαρακτθριςτικι τθσ διόδου Av θ ανάςτροφθ τάςθ ςε κάποια δίοδο ξεπεράςει κάποια οριςμζνθ τιμι τότε επζρχεται θ κατάρρευςι τθσ, δθλ. θ δίοδοσ άγει υψθλό ςχετικά ανάςτροφο ρεφμα με ςχεδόν ςτακερι ( χήμα 3-1β) τάςθ ςτα άκρα τθσ. Aν τo ρεφμα αυτό δεv υπερβεί οριςμζνθ τιμι που εξαρτάται από τα χαρακτθριςτικά καταςκευισ κάποιασ διόδου, τότε θ δίοδοσ δεv καταςτρζφεται. Η τάςθ ονομάηεται τάςθ αγωγισ και θ τάςθ Z τάςθ κατάρρευςθσ τθσ διόδου, χήμα 3-1β. Δίοδοι ειδικά καταςκευαςμζνεσ για λειτουργία ςτθ περιοχι κατάρρευςθσ ονομάηονται δίοδοι Zener. Να ςθμειωκεί εδϊ ότι θ εξ. 3-1 δεv ιςχφει για λειτουργία ςτθv περιοχι κατάρρευςθσ. Οι δίοδοι Zener χρθςιμoπoιoφvται για τθ ςτακερoπoίθςθ ςυvεχoφσ τάςθσ όπωσ κα δοφμε ςτθν επόμενθ άςκθςθ. I I 0 Z 0 Περιοτή καηάρρεσζης (α) (β) χιμα 3-1 α) Χαρακτθριςτικι ιδανικισ διόδου και β) χαρακτθριςτικι πραγματικισ διόδου το χήμα 3-2α βλζπουμε το ςφμβολο μιασ απλισ διόδου πυριτίου και ςτο χήμα 3-2β τθν αντίςτοιχθ πραγματικι δίοδο. Ζχει ςυνικωσ μαφρο χρϊμα και ο ακροδζκτθσ τθσ κακόδου ξεχωρίηει με μια λευκοφ χρϊματοσ λωρίδα. το χήμα 3-2γ το ςφμβολο μιασ διόδου zener και ςτο χήμα 3-2δ τθν αντίςτοιχθ πραγματικι δίοδο zener. Ζχει ςυνικωσ κεραμιδί χρϊμα και ο ακροδζκτθσ τθσ κακόδου ξεχωρίηει με μια μαφρου χρϊματοσ λωρίδα. άνοδος άνοδος Ζ κάθοδος κάθοδος (α) (β) (γ) (δ) χιμα 3-2 (α) ςφμβολο απλισ διόδου (β) πραγματικι δίοδοσ (γ) ςφμβολο διόδου zener και (δ) πραγματικι δίοδοσ zener

3 3.3 Λήψη χαρακτηριςτικϊν με χρήςη αμπερομζτρου και βολτομζτρου Ορθή πόλωςη απλήσ διόδου ΑΚΗΗ Τλοποιιςτε το κφκλωμα ςτο χήμα 3-3α πάνω ςτο board. 2. ε αυτι τθν άςκθςθ κα χρθςιμοποιιςουμε και το δεφτερο πολφμετρο αλλά ςε λειτουργία αμπερομζτρου (ma). ΠΡΟΟΧΗ: Αν θ φορά του ρεφματοσ (του οποίου κζλουμε να μετριςουμε τθν τιμι) ζχει φορά από τον ακροδζκτθ με κόκκινο χρϊμα προσ τον ακροδζκτθ με μαφρο χρϊμα το αμπερόμετρο κα δείχνει τθν φορά του ρεφματοσ. ε αντίκετθ περίπτωςθ το αμπερόμετρο κα δείχνει αρνθτικό πρόςθμο. 1kΩ (+) ma (-) (α) 1kΩ (+) ma (-) Ζ (β) χιμα 3-3 υνδεςμολογία μζτρθςθσ χαρακτθριςτικισ για τθν περίπτωςθ ορκισ πόλωςθσ (α) απλι διόδου και (β) διόδου zener. 3. το χήμα 3-4α βλζπουμε πωσ πρζπει να ςκεφτόμαςτε για τθν διαςφνδεςθ των ςτοιχείων ενόσ κυκλϊματοσ πάνω ςτο board. το χήμα 3-4β βλζπουμε πωσ πρζπει να είναι ςυνδεδεμζνα τα ςτοιχεία του κυκλϊματοσ πάνω ςτο board και ςτο χήμα 3-4γ βλζπουμε μια παραςτατικι υλοποίθςθ του κυκλϊματοσ ςτον εργαςτθριακό πάγκο. ΠΡΟΟΧΗ: Οι διαςυνδεδεμζνοι (κοινοί) ακροδζκτεσ ςτοιχείων (αντιςτάςεισ, πυκνωτζσ, δίοδοι) είναι τοποκετθμζνοι ςτισ ίδιεσ πεντάδεσ ΧΩΡΙ τθν χριςθ ζξτρα καλωδίων, βλζπε ΠΑΡΑΡΣΗΜΑ Α1. ΠΡΟΟΧΗ: Η δίοδοσ zener που φαίνεται ςτο χήμα 3-4β κα χρθςιμοποιθκεί ςε επόμενο ερώτθμα 4. Αρχικά μθδενίςτε τθν πθγι ςυνεχοφσ τάςθσ

4 ΑΚΗΗ Μεταβάλλοντασ τθv πθγι ςυνεχοφσ τάςθσ να καταχωριςετε τισ μετριςεισ τθσ τάςθσ ςτα άκρα τθσ διόδου (βολτόμετρο) και τoυ ρεφματοσ τθσ διόδου (αμπερόμετρο) ςτισ αντίςτοιχεσ ςτιλεσ που περιλαμβάνει ο Πίνακασ 3.1. ΠΡΟΟΧΗ: Να ρυκμίηετε τθν περιοχι μετριςεων (RANG) του βολτομζτρου ανάλογα με τισ τιμζσ των τάςεων που μετράτε. ΠΡΟΟΧΗ: Να ρυκμίηετε τθν περιοχι μετριςεων (RANG) του αμπερομζτρου ανάλογα με τισ τιμζσ των ρευμάτων που μετράτε. ΠΡΟΟΧΗ: To ρεφμα oρκισ πόλωςθσ να μθν υπερβεί τα 5mA πεντάδα 1 c a b R d πεντάδα 2 πεντάδα 3 e (+) ma (-) f g h k j e 1 z c a R (+) ma d (-) f b πεντάδα 4 (α) Κ αμπερόμετρο Α e Μ f (+) ma (-) (β) R j c d g h k Κ Μ βολτόμετρο b a Κ Μ Κ Μ τροφοδοτικό (γ) χιμα 3-4 (α) Ανάλυςθ του κυκλϊματοσ πριν τθν τοποκζτθςθ των ςτοιχείων πάνω ςτο board (β) προτεινόμενθ υλοποίθςθ πάνω ςτο board και (γ) παραςτατικι υλοποίθςθ ςτον εργαςτθριακό πάγκο. Η απλι δίοδοσ () και θ δίοδοσ zener (z) τοποκετοφνται ςτο board εκ περιτροπισ ανάλογα με τθ μζτρθςθ.

5 3.3.2 Ορθή πόλωςη διόδου ZNR ΑΚΗΗ Τλοποιιςτε τθ ςυνδεςμολογία τoυ χήμα 3-3β πάνω ςτο board. Για να γίνει αυτό κα πρζπει να αντικαταςτακεί θ απλι δίοδοσ (θ οποία ιδθ υπάρχει από το προθγοφμενο ερϊτθμα) με μια δίοδο zener. 2. Μεταβάλλοντασ τθv τάςθ τθσ πθγισ ςυνεχοφσ να καταχωριςετε τισ μετριςεισ τθσ τάςθσ και τoυ ρεφματoσ ςτθ δίοδο zener ςτισ αντίςτοιχεσ ςτιλεσ που περιλαμβάνει ο Πίνακασ 3.1. Πίνακασ 3.1 Πειραματικζσ μετριςεισ ορκισ πόλωςθσ απλϊν διόδων και διόδων zener Ορθή πόλωςη διόδων απλήσ διόδου ZNR () I Z () I Z (**) 0.725

6 ΑΚΗΗ (**) 0.75 (**) (**) 0.8 (**) (**) 5mA 5mA (**) ΠΡΟΟΧΗ: Όταν το ρεφμα υπερβεί τα 5mA να ςταματιςουν οι μετριςεισ αλλιϊσ κα καταςτραφεί θ δίοδοσ και καταγράψτε τθν τάςθ όπου το ρεφμα κα γίνει 5mA Ανάςτροφη πόλωςη απλήσ διόδου 1. Τλοποιιςτε τθ ςυvδεςμoλoγία τoυ χήμα 3-5α πάνω ςτο board. i. το χήμα 3-4β βλζπουμε πωσ πρζπει να είναι ςυνδεδεμζνα τα ςτοιχεία του κυκλϊματοσ πάνω ςτο board. ii. Να αντικαταςτακεί θ δίοδοσ zener (που ζχει μείνει από το προθγοφμενο ερϊτθμα) με τθν απλι δίοδο. iii. Οι ακροδζκτεσ του αμπερόμετρου πρζπει να εναλλαχκοφν, δθλ. ο κόκκινοσ ακροδζκτθσ πρζπει να μπεί ςτθν πεντάδα οπϊν που είναι ο ακροδζκτθσ τθσ ανόδου τθσ διόδου, χήμα 3-6. ε αντίκετθ περίπτωςθ κα δείχνει αρνθτικό πρόςθμο. iv. Οι ακροδζκτεσ τθσ πθγισ πόλωςθσ πρζπει επίςθσ να εναλλαχκοφν, δθλ. ο κόκκινοσ ακροδζκτθσ πρζπει να μπει ςτθν πεντάδα που είναι θ κάκοδοσ τθσ διόδου και ο μαφροσ ακροδζκτθσ ςτθ ίδια πεντάδα που ζχει μπεί ο αριςτερόσ ακροδζκτθσ τθσ αντίςταςθσ, χήμα Μεταβάλλovτασ τθv τάςθ τθσ πθγισ πόλωςθσ να καταχωριςετε τισ μετριςεισ τθσ τάςθσ και τoυ ρεφματoσ ςτθ δίοδο ςτισ αντίςτοιχεσ ςτιλεσ που περιλαμβάνει ο Πίνακασ kΩ ma (-) (+) kΩ (-) ma (+) Ζ (α) (β) χιμα 3-5 υνδεςμολογία μζτρθςθσ χαρακτθριςτικισ για τθν περίπτωςθ ανάςτροφθσ πόλωςθσ (α) απλι διόδου και (β) διόδου zener

7 ΑΚΗΗ 3-41 R ma+ - z χιμα 3-6 Προτεινόμενθ απλοποιθμζνθ υλοποίθςθ πάνω ςτο board του κυκλϊματοσ για τθν ανάςτροφθ πόλωςθ διόδων. Σα όργανα με γκρι χρϊμα, αμπερόμετρο (ma) και τροφοδοτικό (), βρίςκονται εκτόσ board. Η απλι δίοδοσ () και θ δίοδοσ zener (z) τοποκετοφνται ςτο board εκ περιτροπισ ανάλογα με τθ μζτρθςθ. Πίνακασ 3.2 Πειραματικζσ μετριςεισ ανάςτροφθσ πόλωςθσ απλϊν διόδων και διόδων zener Ανάςτροφη πόλωςη διόδων απλή διόδοσ ZNR () I Z () I Z

8 ΑΚΗΗ (**) -5.5 (**) (**) -6 (**) (**) -6.5 (**) (**) -7 (**) 8mΑ 8mΑ (**) ΠΡΟΟΧΗ: Όταν το ρεφμα υπερβεί τα 8mA να ςταματιςουν οι μετριςεισ αλλιϊσ κα καταςτραφεί θ δίοδοσ και καταγράφετε τθν τάςθ όπου το ρεφμα κα γίνει 8mA Ανάςτροφη πόλωςη διόδου zener 1. Τλοποιιςτε τθ ςυvδεςμoλoγία τoυ χήμα 3-5β πάνω ςτο board. Για να γίνει αυτό κα πρζπει Να αντικαταςτακεί θ απλι δίοδο (που ζχει μείνει από το προθγοφμενο ερϊτθμα) με τθν δίοδοσ zener. 2. Μεταβάλλοντασ τθv τάςθ τθσ πθγισ πόλωςθσ να καταχωριςετε τισ μετριςεισ τθσ τάςθσ και τoυ ρεφματοσ ςτθ δίοδο zener ςτισ αντίςτοιχεσ ςτιλεσ που περιλαμβάνει ο Πίνακασ 3.2. ΠΡΟΟΧΗ: To ρεφμα ανάςτροφθσ πόλωςθσ ςτθν περιοχι κατάρρευςθσ να μθν υπερβεί τα 8mA 3. Να χαράξετε ςε κοινό διάγραμμα τισ χαρακτθριςτικζσ των δφο διόδων, χήμα 3-7. Σο υποερϊτθμα αυτό να γίνει ςτο ςπίτι. 4. Από το διάγραμμα των χαρακτθριςτικϊν να ςυμπλθρωκεί ο 5. Πίνακασ 3.3. Σο υποερϊτθμα αυτό να γίνει ςτο ςπίτι.

9 ΑΚΗΗ 3-43 Πίνακασ 3.3 Σάςθ αγωγισ και κατάρρευςθσ διόδων απλή διόδοσ διόδοσ Zener Σάςη αγωγήσ Σάςη κατάρρευςησ χιμα 3-7 Χαρακτθριςτικζσ απλισ διόδου και διόδου zener

10 ΑΚΗΗ Χαρακτηριςτική Μεταφοράσ Ψαλιδιςτή τάςησ Σο κφκλωμα ςτο χήμα 3-8α λειτουργεί ωσ εξισ: για να άγει θ δίοδοσ κα πρζπει θ τιμι τθσ τάςθσ ειςόδου να ικανοποιεί τθ ςυνκικθ i > +, όπου είναι θ τάςθ αγωγισ τθσ διόδου και είναι θ τιμι τθσ πθγισ ςυνεχοφσ τάςθσ. Όταν θ παραπάνω ςυνκικθ δεν ικανοποιείται τότε δεν υπάρχει ρεφμα ςτο κφκλωμα. Όταν θ δίοδοσ άγει θ τάςθ εξόδου του κυκλϊματοσ είναι ο = +, ενϊ όταν θ δίοδοσ δεν άγει θ τάςθ εξόδου είναι ο = i. 1. Ρυκμίςτε τθ γεννιτρια ςθμάτων με θμιτονικό ςιμα πλάτοσ p =5 (θ μζτρθςθ του πλάτουσ να γίνει με τον παλμογράφο). ςυχνότθτα f=100hz 2. Ρυκμίςτε τθν πθγι ςυνεχοφσ τάςθσ ϊςτε Ε=0. 3. χεδιάςτε ςε κοινοφσ άξονεσ ςτο χήμα 3-9 τισ κυματομορφζσ των τάςεων ειςόδου και εξόδου του κυκλϊματοσ ςε ςυνάρτθςθ με το χρόνο. i. Αρχικοποιιςτε και τα δφο κανάλια του παλμογράφου. 4. Να γίνουν οι απαραίτθτεσ ρυκμίςεισ ςτουσ επιλογείσ OLTS/I και των δφο καναλιϊν ϊςτε θ καμπφλθ να απεικονίηεται ολόκλθρθ μζςα ςτθν οκόνθ του παλμογράφου. ΠΑΡΑΣΗΡΗΗ : Για όλεσ τισ παρακάτω μετριςεισ μπορείτε να φωτογραφίςετε τισ κυματομορφζσ που εμφανίηονται ςτθν οκόνθ του παλμογράφου φροντίηοντασ να καταγραφοφν οι ενδείξεισ των επιλογζων OLTS/I και ΣΙΜΕ/I. ε αυτι τθν περίπτωςθ ο ςχεδιαςμόσ των κυματομορφϊν να γίνει ςτο ςπίτι. I Κ CH I Μ i 10kΩ I + - o Κ CH II Μ R (α) (β) χιμα 3-8 (α) Kφκλωμα λιψθσ χαρακτθριςτικισ μεταφοράσ ψαλιδιςτι τάςθσ και (β) προτεινόμενθ υλοποίθςθ ςτο board 4. χεδιάςτε ςτο χήμα 3-10 ςε βακμολογθμζνουσ άξονεσ τθ χαρακτθριςτικι μεταφοράσ o - i. i. Αρχικοποιιςτε και τα δφο κανάλια του παλμογράφου. ii. Ρυκμίςτε τον παλμογράφο ςε X-Y λειτουργία. Για να γίνει αυτό ο επιλογζασ χρόνου TIM/I να ζρκει ςτθ κζςθ X-Y. τθv οκόνθ τoυ παλμογράφου κα εμφανιςτεί θ χαρακτθριςτικι ειςόδου. iii. Ο παλμογράφοσ να βρίςκεται ςε λειτουργία C.

11 ΑΚΗΗ 3-45 iv. Αρχικοποιιςτε και τα δφο κανάλια του παλμογράφου. ε αυτι τθν περίπτωςθ κα εμφανιςτεί μια κουκίδα ςτθν οκόνθ του παλμογράφου. Ρυκμίςτε τα Y-POSITION του παλμογράφου ϊςτε θ κουκίδα να βρίςκεται ςτο κζντρο τθσ οκόνθσ. v. Να γίνουν οι απαραίτθτεσ ρυκμίςεισ ςτουσ επιλογείσ OLTS/I και των δφο καναλιϊν ϊςτε θ καμπφλθ να απεικονίηεται ολόκλθρθ μζςα ςτθν οκόνθ του παλμογράφου. 5. Επαναλάβετε τθν παραπάνω διαδικαςία (βιμα 3) και ςχεδιάςτε ςτο χήμα 3-9 ςε κοινοφσ άξονεσ τισ νζεσ κυματομορφζσ των τάςεων ειςόδου και εξόδου του κυκλϊματοσ ςε ςυνάρτθςθ με το χρόνο για =2. 6. Επαναλάβετε τθν παραπάνω διαδικαςία (βιμα 4) και ςχεδιάςτε ςτο χήμα 3-10 τθν νζα χαρακτθριςτικι μεταφοράσ για Ε= Να εξθγιςετε τισ μορφζσ των χαρακτθριςτικϊν που παρατθρείτε ςτον παλμογράφο. χιμα 3-9 Κυματομορφζσ ειςόδου και εξόδου ψαλιδιςτι τάςθσ για Ε=0 και Ε=2.

12 ΑΚΗΗ 3-46 χιμα 3-10 Χαρακτθριςτικι μεταφοράσ ψαλιδιςτι τάςθσ για Ε=0 και Ε=2 3.5 Αποτελζςματα Εξομοίωςησ με το SPIC Χαρακτηριςτική Μεταφοράσ Διόδων 1. Να δϊςετε τον κϊδικα του SPIC που απαιτείται για τθ λιψθ τθσ I- χαρακτθριςτικισ απλισ διόδου. 2. Να δϊςετε τθ χαρακτθριςτικι που λάβατε. 3. Να εκτιμιςετε τθν τάςθ αγωγισ τθσ διόδου. 4. Να δϊςετε τον κϊδικα του SPIC που απαιτείται για τθ λιψθ τθσ I- χαρακτθριςτικισ διόδου Zener. 5. Να δϊςετε τθ χαρακτθριςτικι που λάβατε. 6. Να εκτιμιςετε τθν τάςθ αγωγισ και τθν τάςθ κατάρρευςθσ τθσ διόδου Zener.

13 3.5.2 Μελζτη ςυμπεριφοράσ ψαλιδιςτή τάςησ ΑΚΗΗ Να δϊςετε τον κϊδικα του SPIC που απαιτείται για τθ λιψθ των χαρακτθριςτικϊν ειςόδου και μεταφοράσ του ψαλιδιςτι τάςθσ. Η θμιτονικι γεννιτρια ςθμάτων να ρυκμιςτεί όπωσ ςτο πείραμα και να κεωριςετε ότι =2. 2. Να δϊςετε τισ χαρακτθριςτικζσ που προκφπτουν από το SPIC. 3. Να εκτιμιςετε τθν τάςθ αγωγισ τθσ διόδου. 4. Να ςυγκρίνετε τα πειραματικά αποτελζςματα με τα αποτελζςματα του SPIC>