2 - Stopień: 5 PDF

Preview

Summary

Laboratorium elektrotechnika cw. 2...

Description

POLITECHNIKA RZESZOWSKA im. Ignacego Łukasiewicza

ELEKTRONIKA

Sprawozdanie z laboratorium Temat: Diody półprzewodnikowe (prostownicze, stabilizacyjne i LED).

Data wykonania: 25.03.14r.

Kuźniar Agnieszka Madurska Paulina EN-DI L3

Protokół dołączony na nośniku CD. Używałyśmy następujących urządzeń: 1.Multimetr cyfrowy MERA-TRONIK V562 2.Multimetr cyfrowy MERA- TRONIK V560 3.Zasilacz programowany Agilent E3631A

Ogólny schemat pomiarowy diod w kierunku przewodzenia Poprawnym schematem do badania diod jest schemat poprawnie mierzonego napięcia. Aby badać diodę w kierunku zaporowym wystarczy zmienić polaryzację, schemat pomiarowy będzie analogiczny do poniższego.

Dokonane przez nas pomiary: Dioda LED-zielona W kierunku przewodzenia U[V]

0,999

1,50

1,90

2,195

2,50

2,78

2,90

3,20

3,97

4,80

I[mA]

0,00

0,1

0,14

0,44

0,76

1,09

1,31

1,53

2,42

3,28

W kierunku zaporowym U[V]

2,00

2,19

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

4,70

4,80

4,90

I[mA]

0,00

0,00

0,00

0,02

0,02

0,03

0,03

0,3

0,3

0,4

Dioda Schottky’ego

W kierunku przewodzenia

U[V]

0,18

0,25

0,28

0,31

0,34

0,39

0,42

0,43

0,45

0,48

I[mA]

1,7

12

19,7

30,8

42,3

63,2

77,2

80,9

93,8

108

W kierunku zaporowym U[V]

2,71

4,93

6,73

9,05

13,12

16,92

18,34

21,3

22,38

23,12

I[mA]

0,002 5

0,002 8

0,003 5

0,003 8

0,004

0,005

0,006

0,006 5

0,006 9

0,007 2

Dioda Zenera Ograniczenia diody: IFmax = 80 mA Padm = 650 mW Kierunek przewodzenia Ograniczenie diody w kierunku przewodzenia: IFMAX = 80 mA. U[v]

0,737

0,786

0,792 0,8

0,837

0,866

0,893

0,911

0,928

0,941

0,949

0,977 0,99

1,003

1,9

6,6

7,7 8,9

16,8

24,9

33,6

39,4

45,4

50,3

53,6

63,6

73,7

I[mA]

68,7

Kierunek zaporowy. Na podstawie obserwacji zachowania się diody przy zwiększaniu napięcie w kierunku zaporowym wyznaczyłam napięcie Zenera. Jest to napięcie dla którego dioda zaczęła przepuszczać prąd. Następnie wyznaczyłam IRMAX w kierunku zaporowym. Uz = 8,5 V

I RMAX =

Padm UZ

I RMAX =

0,650 [W ] =78 mA 8,5[ V ]

U[V]

8,35

8,36

I[mA]

5,4

5,6

8,3 9 8,3

8,4 1 10, 1

8,43

8,48

8,52

8,61

8,70

8,77

8,83

8,93

8,99

9,05

12,4

18,1

24,1

30,1

38,2

44,5

50,3

58,1

63,8

70,1

1.Charakterystyki diod w kierunku przewodzenia

100

80

60 I[mA]

Dioda Schittky'ego Dioda LED Dioda Zenera

40

20

0 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

U[V]

2. DEFINICJA NAPIĘCIA PROGOWE, SPOSOBY WYZNACZANIA. Napięcie progowe jest to napięcie w kierunku przewodzenia po przekroczeniu , którego prąd zaczyna gwałtownie rosnąć i dioda zaczyna przewodzić. Aby określić napięcie progowe dla diody należy wyznaczyć zależność pomiędzy prądem płynącym przez diodę a występującym na niej napięciem. Zwiększając napięcie na diodzie obserwujemy zmiany prądu . Należy zauważyć dla jakiej wartości napięcia prąd zaczyna gwałtownie rosnąć bo tą wartość napięcia nazywamy napięciem progowym. Jeżeli natomiast zmieniając napięcie nie obserwujemy gwałtownej zmiany prądu to oznacza to ,że dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym. Żeby wyznaczyć napięcie progowe musimy zmienić polaryzację diody. Napięcie progowe możemy wyznaczyć na podstawie charakterystyki prądowo-napięciowej , którą dla większości diod można wyznaczyć stosując następujące metody: • pomiarów prądów i napięć amperomierzami i woltomierzami, tzw. Metoda „punkt po punkcie" • pomiaru impulsowego oscyloskopem

3. WYZNACZENIE NAPIĘCIA PROGOWEGO BADANYCH DIOD Dioda LED

3.5 3 2.5 2 I[mA]

1.5 1 0.5 0 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

U[V]

U T =2,1V

Dioda Schottky’ego 120 100 80 I[mA]

60 40 20 0 0.15

0.2

0.25

0.3

0.35 U[V]

U T =0,45

Napięcia progowe badanych diod:

0.4

0.45

0.5

5.5

-dioda LED zielona- UT= 2,1 V -dioda Schottky’ego- UT=0,45 V Na podstawie wykresu z punktu 1 możemy odczytać napięcie progowe poszczególnych diod.

Napięcie progowe

Dioda LED zielona

Dioda Schotty’ego

Doświadczalne

2,1V

0,45

Katalogowe

2,3V

0,39

Napięcie progowe zależy od materiału, z którego wykonana jest dioda: dla krzemu wynosi ono ok. 0,7 V, dla germanu ok. 0,3 V. Napięcie progowe diody LED zależy od stosowanej w diodzie domieszki odpowiedniego pierwiastka. Dla diody Schotty’ego małe napięcie progowe jest niewątpliwie zaletą, gdyż dioda ta jest stosowana do przełączania (szybkiej pracy) w m.in. przerzutnikach.

4. RELACJA POMIĘDZY NAPIĘCIEM PROGOWYM , A BARWĄ ŚWIECENIA DIOD LED. Diody elektroluminescencyjne zwane są także diodami świecącymi LED, emitują promieniowanie w zakresie widzialnym i podczerwonym. Promieniowanie jest wytwarzane w wyniku rekombinacji dziur i elektronów. W procesie rekombinacji uwalniana jest energia . Jej wartości jest zależna od szerokości pasma zabronionego. Nadwyżka tej energii emitowana jest w postaci fotonów. Długość fali emitowanego promieniowania, a więc i barwa, zależy od szerokości przerwy zabronionej. Im większa szerokość pasma zabronionego tym większa energia potrzebna do pokonania przerwy energetycznej, a co za tym idzie potrzebna jest większa wartość napięcia. Zależność barw świecenia od napięcia progowego. - podczerwona dioda LED - czerwona dioda LED - żółta dioda LED - zielona dioda LED - niebieska dioda LED - biała dioda LED

1,2 V 1,2 V

2,8 V 3,0 V 3,5 V 3,6 V

Diody LED

W przypadku diod LED większościowe nośniki prądu wstrzykiwane przez złącze p-n do obszarów o przeciwnym typie przewodzenia stają się nośnikami mniejszościowymi i rekombinują po czasie zwanym średnim czasem życia tych nośników. Rekombinacja, czyli uwalnianie nadwyżki energii elektronu podczas przechodzenia elektronów z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego. Towarzyszące temu procesowi uwalnianie energii , zależy od szerokości pasma zabronionego.

Barwa świecenia diody zależy od szerokości pasma zabronionego, a co za tym idzie długości promieniowania fali elektromagnetycznej. Promieniowanie obejmuje pewien zakres podczerwieni, a także zakres fal widzialnych. O kolorze świecenia diod decyduje domieszka fosforu, która może być zawarta w przedziale 0-44%. Wprowadzenie większej ilości fosforu powoduje powstanie dodatkowych poziomów w obszarze pasma zabronionego, zwiększa się przerwa energetyczna w zakresie 1.43eV do 2.26eV, czego wynikiem jest inna długość promieniowania fali (kolor świecenia diody).

Zależności :

a) Kolor świecenia w zależności od długości promieniowania fali elektromagnetycznej

b) Kolor świecenia w zależności od materiału półprzewodnikowego

5. REZYSTANCJA SZEREGOWA RS, PRĄD NASYCENIA I0 BADANYCH DIOD. WSPÓŁCZYNNIK ZAŁĄCZA Η DLA WYBRANEGO PUNKTU PRACY.

Rs =

U F −U S IF η=

ΔU U t ∙ ln

IF I0

I F - prąd w punkcie pracy,

U F - napięcie w punkcie pracy, U S - odległość na osi x od osi y do wykresu liniowego diody

U t - współczynnik temperaturowy taki sam dla każdej diody, Dioda Zenera

U t =0,025 V

IF = f(UF) 1,000.0000000000 10.0000000000

IF [mA]

0.1000000000 0.0010000000 0.0000100000 0.0000001000 0.0000000010 0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

UF [V]

Rs =

ΔU 0,99−0,88 =1,63 Ω = 0,0674 I

Prąd nasycenia I0 wyznaczam na podstawie powyższej charakterystyki. I0 = 2,01∙10-11 A Współczynnik złącza wyznaczam ze wzoru:

η=

η=

(U 2−U 1) I U T ∙ ln F 2 I F1

( 0,85 −0,8 ) [ V ] =1,542 31,9 ∙ 10−3 [ A] 0,026 ∙ ln 9,17 ∙10−3 [ A ]

Dioda LED

Wykres IF = f(UF) w sakli logarytmiczno – liniowej.

0.95

1

1.05

IF=f(UF) wykres logarytmiczy 100

10

IF[m A]

f(x) = 0.57 exp( 0.24 x )

1

0.1

0.01 0

2

4

6

8

UF[V]

Odczytując z wykresu

U x =1,86[ V ] I 0=0,41[ mA ] U T =0,025 [ V ], stałe dla każdego rodzaju diody

Wyznaczamy: 



U f −U x 2,07 V −1,86 V = =0,37 Ω If 0,41mA U f −U x 2,07V −1,86 V = η= =1,91 If 9,613 mA 0,025∗ln U T ∗ln 0,41 mA I0 RS =

()

(

)

Dioda Schotty’ego Wykres IF = f(UF) w skali logarytmiczno – liniowej.

10

12

14

IF=f(UF) wykres logarytmiczy 100 f(x) = 0 exp( 39.5 x ) 10 1 IF[m A]

0.1 0.01 Schotkeygo 0 0.19 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26 0.27 0.28 UF[V]

Odczytując z wykresu

U x =0,17[ V ]

I 0=0,002[ mA] Wyznaczamy: 



RS =

η=

U f −U x 0,27 V −0,17 V = =0,0017Ω If 59,88 mA U f −U x

()

I U T ∗ln f I0

=

0,27 V −0,17 V =0,39 59,88 mA 0,025∗ln 0,002 mA

(

6.Rezystancja statyczna i różniczkowa

Rezystancję statyczną obliczamy ze wzoru: Rst =

U0 I0

U0 - napięcie w wybranym punkcie pracy I0 - napięcie w wybranym punkcie pracy

)

Dioda LED, rezystancja statyczna dla 2,4,6 punktu pracy 1,5 [V ] =150000 Ω; RSt 2 = 0,0001[ A] 2,78[V ] =2550 Ω RSt 6 = 0,00109[ A ]

RSt 4=

2,195[ V ] =4999 Ω ; 0,00044 [ A]

Dioda Schottky’ego, rezystancja statyczna dla 2, 4, 6 punktu pracy 0,25 [V ] 0,31[ V ] 0,39[V ] =20 Ω; =10,06 Ω; =6,17 Ω RSt 2 = RSt 4= RSt 6 = 0,012[ A] 0,0308[ A ] 0,0632[ A ]

Rezystancję różniczkową obliczamy ze wzoru: rr ≈

∆UF ∆I F

Δ U F - mały przyrost napięcia Δ I F - mały przyrost prądu Dioda LED, rezystancja różniczkowa w 2,4,6 punkcie pracy 0,501[ V ] 0,295[ V ] 0,28[ V ] r r 2= r r 4= =0,5 Ω; =983,33 Ω ;r r 6 = =848,48 Ω 0,0001[ A] 0,0003[ A ] 0,00033[ A ] Dioda Schottky’ego, rezystancja różniczkowa w 2,4,6 punkcie pracy 0,05 [V ] 0,07 [V ] 0,03 [V ] =6,79 Ω; =2,7 Ω ; r r 6= =2,39 Ω r r 2= r r 4= 0,0103 [ A] 0,0111 [ A ] 0,0209 [ A] Gdyby dioda była elementem liniowym jej rezystancja statyczna była by równa rezystancji dynamicznej jednak jak widzimy to na powyższych tabelach tak nie jest oznacza to, że dioda nie jest elementem liniowym. Jak widzimy dioda – element nie liniowy zmienia swoje wartości rezystancji dynamicznej wraz z wzrostem natężenia prądu który przez nie płynie.

7.Charakterystyki diod w kierunku zaporowym

12 10 8 I[mA]

6 Dioda LED Dioda Schottky'ego

4 2 0 0

2

4

6

8

10

12

14

U[V]

Dioda Zenera 10 0 -10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

-10

IR [mA]

-20 -30 -40 -50 -60 -70 -80

UR [V]

8.Rezystancja statyczna i różniczkowa diody stabilizacyjnej Rezystancję różniczkową obliczamy ze wzoru:

rr ≈

∆UF ∆IF

Δ UF

- mały przyrost napięcia

0

Δ I F - mały przyrost prądu

Rezystancja różniczkowa dla 7,11,14 punktu pracy diody:

(0,893−0,866 )[ V ] =3,103 Ω rr 7 = ( 0,0336 −0,0249) [ A] r r 11 =

( 0,949− 0,941 )[V ] =2,42 Ω ( 0,0536−0,0503 ) [ A ]

( 1,003 −0,99 ) [ V ] r r 14 = =2,6 Ω (0,0737−0,0687)[ A ]

9.Oznaczanie diod półprzewodnikowych przez producentów

Pierwsza litera

Półprzewodnik

A B C R

Druga litera A B E H P Q X Y Z

Trzecia litera X,Y,Z A S

german krzem arsenek galu inne materiały

Znaczenie - rodzaj dioda przełączająca, detekcyjna, mieszająca (sygnałowa) i stabilistor małych napięć dioda o zmiennej pojemności (warikap) dioda tunelowa sonda do mierzenia pola magnetycznego (czujnik Halla) element optoelektroniczny czuły na promieniowanie fotodetektor (np. fotodioda, fototranzystor, fotorezystor) element optoelektroniczny fotogeneracyjny (promieniujący; np. dioda elektroluminescencyjna, transoptor, wskaźnik cyfrowy, oświetlacz czytnika) dioda prostownicza tłumląco - usprawniająca wysokosprawna dioda powielająca mikrofalowa (np., waraktor, ładunkowa, lawinowa, Gunna) stabilizator (dioda Zenera)

Znaczenie sprzęt profesjonalny sprzęt powszechnego użytku Dioda Schottky’ego

 oznaczenie IN oraz szereg czterech cyfr – trzeba skorzystać z wyszukiwarki np. na stronie producenta

 kod barwny – kolorowe paski lub kropka-pasek. W zależności od typu obudowy kolory mogą mieć różne znaczenie np. dla diod Zenera oznaczenia są identyczne jak dla rezystorów

10.Osiągnięcia i kierunki rozwoju technologii LED Diody IR- diody emitujące podczerwień montuje się w pilotach zdalnego sterowania sprzętu RTV oraz wykorzystuje się w oświetlaczach podczerwieni stosowanych w systemach telewizji przemysłowej. Dioda biała – dioda elektroluminescencyjna, otrzymywana drogą: mieszania światła kilku barw, konwersji długości fali z wykorzystaniem luminoforu lub metoda hybrydowa . Obecnie trwają prace nad poprawieniem sprawności tego typu diod, choć już teraz zużywają one mniej mocy niż halogeny o tym samym natężeniu światła. Dioda niebieska – dioda elektroluminescencyjna, pracująca na najkrótszych falach zakresu widzialnego. Obecnie największe nadzieje wiąże się z wykorzystaniem niebieskich diod w procesie przechowywania danych. Dzięki zastosowaniu niebieskich diod laserowych, możemy zapisywać czterokrotnie większe ilości danych niż przy użyciu diod czerwonych. OLED - dioda elektroluminescencyjna (LED) wytwarzana z warstwą organiczną. Warstwa ta nakładana jest na płytę bazową w procesie podobnym do drukowania stosowanego przez drukarki atramentowe. Zasadniczą zaletą OLED jest to, że w procesie produkcji materiał organiczny może być naniesiony na odpowiednio lekkie i elastyczne podłoże, daje to możliwość produkcji zwijanych wyświetlaczy i znacznie lżejszych ekranów. Wykonane z w tej technologii to już nie pojedyncze diody, a całe ultra cienkie panele, da się je zamontować na ścianie, oknach, słupach ogłoszeniowych itd. Ponadto panele OLED będzie można kontrolować dotykiem, gdyż nie nagrzewają się podczas świecenia. Posiada większą skalę barw i jasność, niż LCD, ponieważ piksele OLED bezpośrednio emitują światło, które nie jest zatrzymywane przez filtry polaryzacyjne, tak jak jest w wypadku LCD. Istotną wadą hamującą rozwój technologii jest bardzo mała żywotność - wynosi tylko ok. 10 tys. godzin.

Pierwszy LED’owy zamiennik żarówki 75-watowej Rewolucja LED’owa trwa - wprowadzona na amerykański rynek 17-watowa lampa Philips EnduraLED A21 to kolejny kamień milowy, jeśli chodzi o zastosowanie technologii diodowej w oświetleniu codziennego użytku.

Co niesie przyszłość w technologii LED? Rozwój technologii LED nabrał w ostatnich latach bardzo dużego przyspieszenia. Diody stały się już poważną konkurencją dla tradycyjnego oświetlenia, klienci coraz częściej doceniają ich szczególne właściwości. Duża żywotność, niskie zużycie energii elektrycznej, brak zawartości rtęci, niska emisja ciepła, sprawiają, że w pewnych zastosowaniach, diody są nie do zastąpienia. Ich coraz większa popularność, przyczyniła się do intensyfikacji prac naukowców. Przewiduje się, że technologia produkcji, umożliwi wytwarzanie źródeł światła LED o strumieniu światła 1400 lm i poborze mocy 7 W. Dla porównania, strumień światła tradycyjnej 100 W żarówki wynosi 1360 lm. Innowacje i masowa produkcja wymusiły obniżkę cen, przez co oświetlenie LED stało się dostępne dla szerszej grupy odbiorców. Dalszy rozwój w dziedzinie oświetlenia LED nie pozostawia złudzeń, że staje się ona najbardziej perspektywiczną technologią. 11.Analiza porównawcza diod krzemowych i Schottky’ego

12.Analiza porównawcza diod stabilizacyjnych.

Toodmi anadi odypół pr z ewodni k owej ,kt ór ej gł ównym par amet r em j estnapi ęci e pr z ebi ci azł ączapn.Popr z ekr oc z eni unapi ęci apr z ebi ci amami ej scenagł y ,gwał t owny wzr os tpr ądu.W ki er unkupr zewodz eni a( anodaspol ar yz owanadodat ni owz gl ędem kat ody) oda,nat omi astpr zypol ar yz acj i zapor owej ( kat oda z achowuj esi ęj aknor mal nadi spol ar yz owanadodat ni owz gl ędem anody)moż epr z ewodz i ćpr ądpopr z ekr ocz eni u okr eśl onegonapi ęci anazł ącz u,zwanegonapi ęci em pr z ebi ci a.Pr zyni ewi el ki c hnapi ęc i ach ( dook.5V)podst awowąr ol ęodgr ywazj awi sk oZener a,wzak r esi eod5do7Vzj awi s ko Zener ai pr z ebi ci el awi nowe,apowyż ej 7V–wył ącz ni epr z ebi ci el awi nowe.Napi ęci e pr z ebi ci aj estpr akt y cz ni eni ez al eżneodpł y nącegopr ądui zmi eni asi ębar dz oni ez naczni e nawetpr zyduży chzmi anac hpr ądupr z ebi ci a( di odaposi adawt ym st ani e nośćdynami czną) . ni ewi el kąopor Nal eżypodkr eśl i ć,ż ei dent y czni ezac howuj esi ękażdadi odapół pr z ewodni kowa.Cechami , kt ór epozwal aj ąwydz i el i ćdi odyZener aj akooddzi el nąk at egor i ęel ement ów,są:   

pr z ebi ci eni epowoduj ąceuszk odz eni adi ody , napi ęci epr z ebi ci aokr eśl onedokł adni e,zni ewi el k ąt ol er ancj ą,t ypowo5% ( dl a np.di odpr ost owni cz y chważnej est ,abyni ebył omni ej sz eodzadanej war t ości ) , mał aopor nośćdynami czna,



z apewni eni emożl i wi egwał t ownegopr zej ści adost anupr zebi ci azł ąc za( możl i we ost r e" k ol ano"nachar akt er ys t y ceI=f ( U) ) . Pods t awowezast osowani edi odyZener at oźr ódł onapi ęci aodni esi eni aws t abi l i zat or ach, ponadt oużywanaby wadopr z esuwani apoz i omównapi ęćor azj ak oel ement z abezpi...