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EBE Übung

Protokoll 1

Elektronische Bauelemente

Thema: Dioden/Gleichrichter/Z-Diode/LED: Kennlinie,Arbeitspunkt

Laborversuch 1 für elektronische Bauelemente im SoSe 17

Datum:

10.05.2017

Erstellt von: Mutlu, Semih Özaslan, Yakup AL-Sarori, Mahmood

Mat.-Nr: 833015 Mat.-Nr: 849320 Mat.-Nr: / Seite 1|

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Protokoll 1

Einleitung: In der ersten Laborübung haben wir uns mit dem Verhalten von Halbleiterdioden in Abhängigkeit von Spannung beschäftigt. Für die jeweiligen Schaltungen haben wir diverse Dioden, Widerstände, ein Spannungsnetztgerät, Multimeter zum Messen sowie ein Oszilloskop benutzt. Die Schaltungen wurden auf einem Steckbrett zu einer Schaltung zusammengesteckt. Anhand unserer Vorbereitung haben wir erwartet, dass sich die Kennlinien der verschiedenen Dioden unterschiedlich darstellen, hier ein kleiner Einblick: bei der Diode 1N4148 nehmen wir eine Schwellspannung von 600 mV – 700 mV. Diese ist der Bereich bei Silizium Dioden. Durch diese Erkenntnis verläuft dir Kennlinie annährend an 0 bis die Schwellspannung erreicht wird, nachdem es die Schwellspannung erreicht steigt sie. Die Leuchtdioden (LED’s) besitzen hingegen der Si-Dioden unterschiedliche Schwellspannungen. Die rote LED hat eine Schwellspannung von 1,4V = 1,8V und die grüne LED zwischen 2V-2,8V. Die Z-Diode verhält sich wie eine normale Diode bloß hat sie eine Besonderheit, welche sie in der Sperrrichtung durch eine bestimmte Spannung leitend wird.

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V1: Welche anhängigen Größen werden in den Durchlasskennlinien dargestellt? Auf der Y-Achse wird der Strom (If) und auf der X-Achse wird die Spannung (Uf) dargestellt.

Worin unterscheiden sich die unterschiedlichen Diodentypen? Es gibt einfache Halbleiterdiode (Silizium – Planar-dioden), welche den Strom nur in eine Richtung ungehindert leiten und in die andere Richtung isolieren. (unterscheiden sie sich in der Verlustleistung)



Leuchtdioden (LED), diese werden für Anzeige und Signale verwendet.



Gleichrichterdioden, welche für das Wandeln von Wechsel – in Gleichspannung diesen



Z-Diode (Zener Diode), die sind so ausgelegt, dass in Sperrichtung einer Durchbruchsspannung betrifft!

Wie kann man die Einstellung der unterschiedlichen Ströme realisieren? Die Eingangsspannung variieren, dadurch ist es möglich unterschiedliche Ströme an der Diode zu erfassen, in Bezug des Vorwiderstandes.

Welche Werte müssen die Vorwiderstände haben? Im Allgemeinen wird der Vorwiderstand mit einer Formel berechnet, diese lautetet:

U s ,max (max .Eingangsspanung) −¿U

F ,max (max .Spannungan der Diode)

I F ,max (max. Strom ander Diode) R V (Vorwiderstand ) ≥¿ Für welche maximal zulässige Verlustleistungen müssen die Vorwiderstände ausgelegt werden? Um die Verlustleistungen zu berechnen gilt die Formel

¿ d b=d∗cos ( α ) =28 mm∗cos ¿ Wie bestimmt man aus der Durchlasskennlinie die lineare Ersatzelemente einer Diode? Anhand der Durchlasskennlinie kann man Uto erkennen. Mit der Formel

rf =

∆ Uf ∆ If

kann man sich die ausrechnen.

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D 1:

Abb.1: Schaltung 1, D1.1 mit Silizium-Planardiode und Vorwiderstand: 100Ohm

Für die Schaltung D1.2, D1.3a und D1.3b werden die Dioden und Vorwiderstände ausgetauscht: 

D1.2 = Gleichrichterdiode / Rv = 15 ohm



D1.3a = Rote Leuchtdiode / Rv = 330 ohm



D1.3B = Grüne Leuchtdiode / Rv = 330 ohm

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Protokoll 1

Abb. 2: Screenshot von der Simulation der 1. Schaltung mit der 1. Diode

D1.1 Silizium-Planar-Diode Durchlasskennlinie 25

Arbeitspunkt

Strom in mA

20 15

Tangente

10 5 0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Spannung in mV

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Abb.3: Screenshot von der Simulation der Schaltung 1 mit der Diode MR504

D1.2 Gleichrichter-Diode Durchlasskennlinie 60 50

Tangente

Strom in mA

40 30 20 10 0

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Spannung in mV

Die Kennlinie der Diode 1N4148 verläuft flacher als die der Gleichrichter Diode MR504. Der erwartete Schwellpunkt liegt bei ca. 0,7V. Bei derselben Spannung fließt durch diese mehr Strom als durch die Silizium-Planar-Diode.

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Abb. 4: Screenshot von der Simulation der 1. Schaltung mit einer roten Leuchtdiode

D1.3b Rote Leuchtdiode Durchlasskennlinie 70 60

Strom in mA

50

Tangente ab 1,57

40 30 20 10 0 200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Spannung in mV

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Abb.5: Screenshot der 1. Schaltung mit einer grünen Leuchtdiode

D1.3b Grüne Leuchtdiode 70 60

Strom in mA

50 40 30 20 10 0 1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

Spannung in mV

Aus den beiden Diagrammen ist erkennbar, dass die grüne LED flacher verläuft und somit erst ab einer höheren Spannung leitend wird im Gegensatz zu der roten LED. Für das Emittieren unterschiedlicher Farben müssen Energien aufgewendet werden. Dies ist auch der Grund weshalb die grüne LED eine höhere Schwellspannung besitzt als die rote LED. Bei geringer Spannung fließt mehr Strom durch die rote LED.

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Abb. 6: Kennlinien Verlauf der Dioden (Theorie) im Durchlassbereich

Wie man sehen kann gibt es kaum Abweichungen der theoretischen Kennlinienverlauf und unserer durch die Messungen entstandenen Kennlinien. Im Allgemeinen entstehen bei den Messungen Rundungs- und Messungenauigkeiten. Daher können minimale Abweichungen bei den Durchlasskennlinieren entstehen. Der Grund dafür ist, dass die Messgeräte im Labor wahrscheinlich nicht dafür ausgelegt sind.

Warum die Dioden unterschiedliche Kennlinien haben kommt daher, dass sie unterschiedliche Schwellspannungen besitzen. Dioden, die einen kleinen Wert von Schwellspannung haben steigt die Kennlinie früher im Gegensatz zu den, die eine größeren Wert an Schwellspannung haben!

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Nachtrag zur Aufgabe 1: Ermittlung des Wirkungsgrads einer LED: Rote LED (Uf =1,6V, if = 20mA, Us =12V)

η=

Pab , P =Pverlust P zu zu

η=

0,208 =0,106∗100=10,6 % 1,96

Bestimmung der Linearen Ersatzelemente: Ziel ist es die Dioden-Kennlinie zu linearisieren.

Graphische Darstellung und Erläuterung: Für die Bestimmung der Tangente muss man den Durchlassstrom If und die Durchlassspannung Uf graphisch ermitteln. Aus der Maschengleichung (U s=If+Uf) entsteht folgende Gleichungen: If= -Uf / Rv + Us / Rv daraus entsteht eine Gerade mit der Steigung -1/Rv und der Koordinate Us/Rv auf der Y-Achse(I). Aus dem Schnittpunkt der ermittelten Gerade und der Dioden Kennlinie bekommt man den Arbeitspunkt und die Werte Uf und If heraus. Die Tangente geht dann aus dem Wert Uf durch den Arbeitspunkt! Aus Uf und If kann man die Werte Delta U und Delta I bestimmen.

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V2 Bei welcher Polung hat die Z-Diode die angegebene Durchbruchspannung? Wenn die Z-Diode umgekehrt angeschlossen ist:

Welche Spannung erwarten Sie in der anderen Richtung? Ca. 0,7 V wird erwartet.

Für welche maximale zulässige Verlustleistung muss der Vorwiderstand ausgelegt werden Durchlassbereich: kleiner gleich 98,01 Ohme & 1,98 Watt Durchbruchbereich: kleiner gleich 304 Ohm & 1,94 Watt

Welche Eigenschaften von Z-Dioden ist für Spannungsstabilisierungsanwendungen besonders wichtig? Die Z-Diode kann bis zu einem Wert dauerhaft Zerstörungsfrei in Sperrrichtung im Bereich der Durchbruchsspannung betrieben werden. Hierbei ist die Durchbruchsspannung etwa immer konstant

Abb.7: Screenshot der Simulation von der 2. Schaltung mit der Z-Diode in Durchlassrichtung

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Abb.8: Screenshot der Simulation von der 2. Schaltung mit der Z-Diode in Durchbruchbereich

Gesamtkennlinie der Z-Diode 150 130 110 90 70 50 30 10 -20

-15

-10

-5

-100 -30

Bemerkung: Der „negativ“ Bereich soll den Durchbruchbereich darstellen und der „positive“ Bereich zeichnet den Durchlassbereich aus. Es wurden negative Werte an der Y-Achse um die Kennlinie auch im Durchbruchbereich zu verdeutlichen. Hierbei sieht man besonders im Durchbruchbereich, dass ab einem bestimmten Wert die Kennlinie stark „ansteigt“. Der Durchlassbereich wie man sieht funktioniert wie eine ganz normale Diode. Dieses Verhalten der Z-Diode spiegelt sich auch an den Messwerten wieder!

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Abb.9: Gesamtkennlinie der Z-Diode

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Nachtrag zur Aufgabe2: Stabilisierung mit der Z-Diode: Die Z-Diode ist die einfachste Art der Spannungsstabilisierung. Eine stabilisierte Spannung gleichzeitig eine Konstante Spannungsquelle. Die Stabilisierungsschaltung besteht aus einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer ZDiode welche in Durchbruchbereich geschaltet ist. Der maximale Z-Diode-Strom ist ein Grenzwert, welcher nicht überschritten werden darf. Er ist von der maximalen Verlustleistung und Z-Dioden-Spannung abhängig. Gleichzeitig darf der maximale Z-Diode-Strom auf keinen Fall überschritten werden dadurch wird auch die Verlustleistung überschritten und das führt zur Zerstörung der Z-Diode. Damit die Stabilisierung funktioniert muss ein min. Strom fließen.

Wichtig bei Z-Dioden ist, dass der Vorwiderstand nicht fehlen darf, sonst würde die Z-Diode die Arbeitsspannung im Durchbruchbereich zerstört werden.

Spannungsstabilisierung einer LED:

Rv = (U – Uz) / Iges = (24 V – 1) / 92 mA = 250V

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V3: Was versteht man unter dem Arbeitspunkt einer Diode? Der Arbeitspunkt ist die Spannung und der Strom der sich bei der Diode einstellt. Dieser hängt in der Schaltung von der Betriebsspannung Ue und dem Vorwiderstand ab. Dort wo die Lastkurve der Widerstandsgeraden die Dioden-Kurve schneidet, ist der Arbeitspunkt.

Wie unterscheiden sich die elektrischen Größen einer roten von einer grünen Leuchtiode? Die grüne Leuchtdiode besitz eine Spannung von ca. 2V und ein Strom von ca. 16mA und die rote Leuchtdiode besitzt eine Spannung von ca. 1,6V und einen Strom von ca. 18mA.

Welche Sperrspannung können Leuchtdioden typischerweise aufnehmen, ohne Schaden zu nehmen?

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Ca. 3 bis 5 V sonst kommt es zu einer Zerstörung (Je nach Datenblatt der Diode kann dieser Wert variieren)

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Abb.10: Simulation der Schaltung A zur Aufgabe 3 mit roter Leuchtdiode

Abb.11: Simulation der Schaltung B zur Aufgabe 3 mit grüner Leuchtdiode

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Abb.10: Simulation der Schaltung B zur Aufgabe 3 mit roter Leuchtdiode

Abb.10: Simulation der Schaltung B zur Aufgabe 3 mit grüner Leuchtdiode

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Auswertung: Arbeitspunkt ist ein bestimmter Punkt im Kennfeld oder auf der Kennlinie eines elektrischen Bauelements. Der Arbeitspunkt wird in die Mitte der Kennlinie festgelegt, zwischen max. und min. Spannung bzw. Stromstärke. Der Arbeitspunkt sagt aus, ab welchem Wert das Bauteil betrieben werden kann. Im Allgemeinen dient Sie zur Stabilisierung von Dioden und Transistoren.

D4:

Abb.11: Simulation der Schaltung 4 mit der Diode MR504

Abb.12: Simulation der Schaltung 4 mit der Diode 1N4148

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Da die Dioden eine Sperrrichtung und eine Durchlassrichtung besitzen kommt es beim Umschalten der Dioden zu einer Sperrverzögerungszeit. In dieser Zeit werden die überschüssigen Ladungsträger ausgeräumt um die Sperrschicht aufzubauen.

Abb.13:Bild vom Oszilloskop 1N4148

Abb.14:Bild vom Oszilloskop MR504

Die Silizium-Planar-Diode mit der f = 100 kHz und die Gleichrichter-Diode mit der f = 2 MHz. Bei wachsender Frequenz wird die Sperrverzögerungszeit kleiner. Die Frequenz muss ausreichend hoch sein, um einen günstigen Zeitmaßstab zu erhalten.

Sperrverzögerungszeit im dreieckigen Modus am besten sichtbar trr/ns

1N4148 35

MR504 kaum erkennbar

Abb.14: Sperrverzögerungszeit im Idealfall

Nachtrag zur Aufgabe 4: S e i t e 22 |

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Die Schaltdiode 1N4148 ist eine Ultra schnelle SI-Diode, die sich für Hochfrequenzen von bis zu 100 MHz eignet. Es gibt im Allgemeinen keine Ideale Kennlinie, da durch „falsche“ Auslegung der Messgeräte und kleinen Abweichungen, wird in der Praxis nie ein Idealer Fall erreicht.

Fazit: Da die unterschiedlichen Dioden je nach Polung ein unterschiedlichen Verhalten aufweisen, besteht das Kennlinienfeld aus einem Durchlassbereich und einen Sperrbereich. Die Dioden-Kennlinie zeigt das ´Widerstandsverhalten der Diode bei unterschiedlichen Strömen und Spannungen an.

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www.Elektronik-kompendium.de

Literatur: Stefan Goßner: Grundlagen der Elektronik Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen

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