Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät PDF

Preview

Summary

Laboratorio work essay...

Description

Fysiikan laboratoriotyöt 1 Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

1. Työn tarkoitus Työssä mitattiin vastuksen, kahden eri materiaaleista valmistetun diodin (pii ja germanium) sekä valodiodin virran ja jännitteen välistä riippuvuutta kuvaavat virta-jänniteominaiskäyrät. Vastuksen resistanssi määritetään vastuksen virta-jänniteominaiskäyrästä, vastuksen värikoodista sekä mittaamalla se digitaalisella yleismittarilla. Diodien virtajänniteominaiskäyristä määritettiin diodien kynnysjännitteet. Lisäksi mitattiin valodiodin kautta kulkevaa virtaa valolähteen ja diodin välisen etäisyyden funktiona. Työn tarkoituksena oli myös tutustua sähköisiin perusmittauksiin yleismittaria käyttäen ja virran ja jännitteen säätämiseen soveltuvaan potentiometrikytkentää.

2. Teoria Vakiovastus noudattaa Ohmin lakia, (1) U =RI jonka mukaan vastuksen päiden välinen jännite U on suoraan verrannollinen vastuksen kautta kulkevaan virtaan I. R on vastuksen resistanssi.

3. Mittausmenetelmät

Kuva 1: Ominaiskäyrien mittaamisessa käytetty kytkentä, missä E = tasajännitelähde, L = tutkittava laite, AB = potentiometri, I = virtamittari sekä V = jännitemittari.

Virta- ja jännitemittarina mittauksissa toimivat digitaaliset yleismittarit. Tutkittavana laitteena käytettiin vuorollaan vastuksia, pii- ja germaniumdiodeita sekä valodiodia. Ylhäällä olevassa esitelty mittauksien korjärjestely sekä mittauksissa käytetyt laitteet. Ensimmäiseksi tutkittiin vastusta. Aluksi valitun vastuksen värikoodista katsottiin vastuksen resistanssi ja tämän jälkeen resistanssi mitattiin myös digitaalisella yleismittarilla, jonka jälkeen vastus kytkettiin virtapiiriin. Potentiometriä apuna käyttäen virralle säädettiin mittauspöytäkirjan mukaiset arvot, joita vastaavat arvot kirjattiin ylös. Seuraavaksi tutkittiin vuorollaan pii- ja germaniumdiodit. Ensin piidiodi kiinnitettiin tutkittavan laitteen paikalle päästösuuntaa, ja potentiometrillä säädettiin virta mittauspöytäkirjan mukaisiin arvoihin ja mitattiin vastaavat jännitteen arvot. Germaniumdiodille tehtiin samoin kuin edellä, jonka jälkeen se kytkettiin estosuuntaan ja mitattiin mittauspöytäkirjan mukaisia virran arvoja vastaavat jännitteen arvot. Viimeiseksi suoritettiin valodiodimittaukset. Ensin mitattiin valodiodin virtajänniteominaiskäyrä samalla tavalla kuin pii- ja germaniumdiodien kohdalla. Tämän jälkeen mittausjärjestelyä muutettiin ja sitä kuvaava kytkentäkaavio on esitettynä alhaalla. Diodi asetettiin mittauspöytäkirjan arvoja vastaaville etäisyyksille valonlähteestä, ja kyseisiä kohtia vastaavat virran arvot kirjattiin ylös digitaalisella yleismittarilla.

Kuva 2: Valodiodimittauksissa käytetty kytkentä, missä E = tasajännitemittari, A = virtamittari sekä r = etäisyys.

4. Mittaustulosten käsittely ja niiden luotettavuuden arviointi

Mittaustulokset ovat luettavissa liitteessä 1: Mittauspöytäkirja. Vastuksen virtajänniteominaiskäyrä on esitetty liitteessä 3. Kuvaajasta saamme laskettua vastuksen resistanssin ohmin lain avulla. arvot saadaan määritettyä kuvaajasta. Δ U ja Δ I U =R ⋅ I ⇒R=

U (1) I

∆U 4,6 V −2,0 V = =619,047619 Ω≈ 620 Ω . Vastuksen värikoodista saatiin ∆ I (7,5−3,3)⋅10−3 A vastuksen resistanssin arvoksi 620Ω ja digitaalisella yleismittarilla mitatuksi arvoksi saatiin 617Ω. Kuvaajasta saatu arvo sopii värikoodista saadun arvon virherajaan ja arvo on myös lähellä yleismittarilla mitattua arvoa. Arvon voisi siis tämän perusteella arvioida olevan todella lähellä oikeaa arvoa. R=

Pii-, germanium- ja valodiodin virta-jänniteominaiskäyrät löytyvät liitteestä 4. Kuvaajista voidaan määrittää pii- ja germaniumdiodien kynnysjännitteet. Nämä kohdat on merkitty kuvaajaan. Piidiodin kynnysjännitteeksi saadaan kuvaajasta arvioiden noin 0,6V ja germaniumdiodin kynnysjänniteeksi noin 0,8V. Piidiodin kynnysjännite kuulostaa oikealta. Germaniumdiodin kynnysjännite kuvaajasta katsottuna eroaa internetistä löydettyihin kynnysjännitteisiin verrattuna.. Arvojen eroavaisuudet johtunevat mittausvirheistä sekä käsin piirrettäessä tulleista virheistä. Valodiodimittausten kuvaajaa varten muutamme etäisyyden r arvot etäisyyden neliön käänteisarvoiksi 1 Taulukoidaan tulokset ja lasketaan ensin mallisijoitus näkyviin. Muut tulokset saadaan r2 vastaavasti. Kunr =9 cm ,niin

1 1 1 1 = =123,4567901 2 ≈ 123,5 2 2 2 r (0,09 m) m r

1 1 [ ] r 2 m2 123,46 100,00 82,64 59,17 39,06 25,00 16,00 11,11 6,25 2,78

I [ μA ] 36,6 31,3 29,3 23,5 15,7 10,6 6,6 4,6 2,7 1,2

Liitteessä 5 on esitetty valodiodin kautta kulkeva virta etäisyyden neliön käänteisarvon funktiona. Käytössä ollut valodiodi on lineaarinen suurilla r arvoilla, mutta kun r arvot pienevät, paljastuu ettei valodiodi ole lineaarinen. Oletuksena on, että lineaarisuuden tulisi päteä alueella

¿ , mikä ei tässä tapauksessa toteudu. Tämä on helposti nähtävissä liitteen 5 ¿−∞ ,∞ ¿ kuvaajasta (kolme viimeistä mittauspistettä). Mitä pienemmäksi r siis menee, sitä enemmän tulee heittoa lineaariseen suoraan verrattuna.

5. Lopputulokset ja pohdintaa Resistanssin arvoksi saatiin kuvaajasta laskettua 620 Ω , vastuksen värikoodista 620 Ω ± 5 % ja digitaalisella yleismittarilla mitattuna 617 Ω . Piidiodin kynnysjännitteeksi saatiin 0,6V ja germaniumdiodin kynnysjänniteeksi saatiin 0,8V. Mittaustuloksista tehdyt kuvaajat löytyvät liitteistä 3, 4 ja5. Työssä käytetty valodiodi ei ollut lineaarinen, sillä liitteen 5 kuvaaja ei ole lineaarinen. Liitteessä piidiodin ja valodiodin kuvaajat vaikuttavat olevan samankaltaisia ja ne saivat samoilla virran arvoilla lähes samoja jännitteen arvoja. Ne myös kasvavat eksponentiaalisesti. Germaniumdiodin kuvaaja eroaa hieman näiden kuvaajista eikä nouse yhtä eksponentiaalisesti. Lisäksi germaniumdiodin kynnysjännite kuvaajasta katsottuna eroaa melko paljon internetistä löytyneisiin kynnysjännitteisiin verrattuna. Työssä opittiin käyttämään digitaalista yleismittaria sekä rakentamaan koejärjestelyjä. Lisäksi työssä harjoiteltiin tasajännitteiden ja –virtojen mittauksia. Tutustuimme myös potentiometrikytkentään, jolla säädettiin käytettäviä jännitteitä. Työ toimi minulle itselle johdatuksena sähköfysiikkaan, sillä en ole ennen opiskellut sähköfysiikkaa.

Liitteet

Liite 1: Mittauspöytäkirja Liite 2: Ennakkotehtävät Liite 3: Vastuksen virta-jänniteominaiskäyrä Liite 4: Pii- ja germaniumdiodin sekä valodiodin virta-jänniteominaiskäyrät samassa kuvaajassa Liite 5: Valodiodin kautta kulkeva virta etäisyyden neliön käänteisarvon funktiona....