Badanie charakterystyk prądowo napięciowych wybranych elementów liniowych i nieliniowych

Cel ćwiczenia

Praktyczne zapoznanie się ze sposobem pomiaru charakterystyk prądowo napięciowych oraz na ich podstawie określania wybranych parametrów badanych elementów.

Wymagane wiadomości

  1. Podstawy obwodów elektrycznych prądu stałego.
  2. Diody prostownicze i diody Zenera w układach prądu stałego.

Wprowadzenie

Elementy liniowe (rezystory) i nieliniowe (np. diody) znajdują szerokie zastosowanie w konstrukcji urządzeń elektronicznych. O ich liniowości (lub nie) decyduje spełnienie tzw. prawa Ohma wyrażającego liniową zależność pomiędzy prądem i napięciem. Dlatego, w badaniu elementów elektronicznych kluczowe jest poznanie ich charakterystyk prądowo-napięciowych.

Rezystory są elementami liniowymi, a rezystancja \(R\) lub przewodność \(G\) są stałymi wiążącymi wartość spadku napięcia z prądem:

\[U=RI,\quad I=GU\]

Poniżej przedstawione jest zdjęcie przykładowych rezystorów i ich symbole.

rys4-1a rys4-1b

Wartości rezystancji często opisuje się za pomocą kodu paskowego, jak pokazano poniżej.

../_images/rys4_2.png

W odniesieniu do oporników określa się następujące wielkości i ich jednostki:

\[\begin{split}\text{Rezystancja: }\\ R\rightarrow [\Omega]=[\frac{V}{A}],\quad\text{ (om) }\end{split}\]
\[\begin{split}\text{Rezystancja właściwa, rezystywność: }\\ \rho=\frac{RS}{l}\rightarrow [\frac{\Omega m^2}{m}]=[\Omega m],\quad\text{ (omometr) }\end{split}\]
\[\begin{split}\text{Konduktancja właściwa, konduktywność: }\\ \sigma=\frac{1}{\rho}\rightarrow [\Omega m]^{-1}\end{split}\]

Diody są elementami półprzewodnikowymi o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej. Poniżej przedstawione jest zdjęcie przykładowych diod i graficzny symbol używany w schematach elektronicznych.

rys4-3a rys4-3b

Typową charakterystykę prądowo-napięciową diody przedstawia rys. 1

../_images/rys4_4.png

Rys.1. Charakterystyka U-I diody półprzewodnikowej.

W ramach uproszczonego modelu, dioda przewodzi prąd gdy potencjał anody względem katody przekracza pewną wartość zwaną napięciem przewodzenia diody. Napięcie to wynosi około \(0.6 V\) dla diod krzemowych. W kierunku zaporowym (odwrotna polaryzacja) przez diodę płynie tzw. prąd wsteczny o bardzo małej wartości. Po przekroczeniu maksymalnego napięcia wstecznego dochodzi do przebicia lawinowego i w konsekwencji gwałtownego wzrostu prądu. Właściwości diody wynikają ze zjawisk zachodzących na złączu dwóch półprzewodników o różnym typie przewodnictwa tj. elektronowego i dziurowego. Prąd przewodzenia można wyrazić zależnością:

\[\begin{split}I_D=I_S\left(e^{\frac{U_{AK}}{U_T}-}-1 \right)\\ U_T=\frac{k_B T}{q}\end{split}\]

gdzie:

\(I_D\) – prąd diody w kierunku przewodzenia,

\(I_S\) – prąd nasycenia diody w kierunku zaporowym,

\(U_{AK}\) – napięcie polaryzacji diody,

\(U_T\) – potencjał elektrokinetyczny( dla \(T = 297 K \;U_T = 25.3 mV\)),

\(k_B\) – stała Boltzmana,

\(T\) – temperatura w \(K\),

\(q\) – ładunek elektronu.

Efekt przebicia lawinowego można wykorzystać do stabilizacji wartości napięcia. Jak pokazuje charakterystyka \(U-I\), dla dużych zmian prądu wstecznego, spadek napięcia na diodzie zmienia się niewiele. Produkuje się diody (tzw. diody Zenera) o różnej, wymaganej wartości napięcia przebicia. Podstawowy układ pracy diody Zenera przedstawiono na rys. 2.

../_images/rys4_5.png

Rys.2. Układ pracy diody Zenera.

Rezystor \(R\) dobiera się tak, by moc \(P\) wydzielana na diodzie nie przekraczała wartości maksymalnej \(P_{max}\) deklarowanej przez producenta. W praktyce \(P\approx 0.5P_{max}\). Zatem:

\[\begin{split}P=U_Z I=U_z\frac{U-U_z}{R}=0.5P_{max}\\ R=2U_z\frac{U-U_z}{P_{max}}\end{split}\]

Przebieg ćwiczenia

Badanie elementów liniowych.

  1. Przygotować i przetestować program do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych napisany w środowisku LabView z wykorzystaniem modułu pomiarowego MyDaq.
  2. Skonfigurować układ według schematu na rys. 3. Dobrać wartość rezystora \(Rwz\) by wartość prądu nie przekraczała \(2 mA\).
  3. Podłączyć rezystor (kolejno nominalnie \(1 k\Omega, 2 k\Omega\), i \(3.3 k\Omega\),) jako element badany.
  4. Zmierzyć charakterystykę \(I-U\) w pełnym zakresie przetwornika DAC (AO) układu Ni_MyDaq tj. \(\pm 10 V\). Wyniki zapisać w postaci danych oraz wykresu.
../_images/rys4_6.png

Rys.3. Schemat połączeń układu pomiarowego.

Badanie elementów nieliniowych.

  1. Połączyć kolejno diodę prostowniczą, diodę Zenera oraz diodę LED jako badany element.
  2. Dla każdej z otrzymanych diod określić wstępne charakterystyki prądowo napięciowe w zakresie napięć jak w punkcie 2. Skorygować połączenia tak aby odpowiadały ściśle przedstawionym na schematach. Zdjąć charakterystyki prądowo napięciowe badanych elementów. Wyniki zapisać w postaci danych oraz wykresu.

Opracowanie wyników

W sprawozdaniu należy:

  1. Opisać przebieg ćwiczenia.
  2. Zamieścić opracowane tabele z danymi i wykresy z charakterystykami \(U-I\) badanych elementów.
  3. Z otrzymanych charakterystyk elementów liniowych odczytać wartość rezystancji jako współczynnik nachylenia prostej dopasowanej do charakterystyki oraz przedyskutować otrzymane wyniki porównując wartości badanych rezystancji z ich nominalnymi wartościami odczytanymi z kodu paskowego.
  4. W odniesieniu do elementów nieliniowych, należy określić dla jakich diod zostały zdjęte charakterystyki. Na podstawie otrzymanych charakterystyk I-U wyznaczyć spadek napięcia na przewodzącej diodzie, napięcie przebicia w kierunku zaporowym (jeśli występuje) oraz skomentować krzywe I-U w kierunku zaporowym. Z dopasowania charakterystyk z zależnością teoretyczną określić temperaturę pomiaru. Przedyskutować praktyczne znaczenie określonych parametrów.

Literatura

[Hempowicz2004-5]P. Hempowicz, R. Kiełsznia, A. Piłatowicz, J. Szymczyk, T. Toborowski, A. Wąsowski, A.Zielińska, W. Żurawski, Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków, WNT, Warszawa 2004
[Stacewicz1994-5]T. Stacewicz, A. Kotlicki, Elektronika w laboratorium naukowym, PWN, Warszawa 1994.
[Horowitz1995-5]P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WKŁ, Warszawa 1992, 1995.
[Tietze1996-1]U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1976, 1987, 1996.
[Sledziewski1984-5]R. Śledziewski, Elektronika dla fizyków, PWN, Warszawa 1984.

Test do rozdziału 4

Q-1: Co to jest rezystor?




Q-2: Co to jest rezystancja?




Q-3: Co to jest przewodność?




Q-4: Charakterystyka diody półprzewodnikowej :




Q-5: Czy i w jaki sposób polaryzacja diody wpływa na jej przewodzenie prądu?




Q-6: Co to jest napięcie przebicia diody?




Q-7: Ile wynosi spadek napięcia na przewodzącej diodzie krzemowej?




Q-8: Co to jest masa układu elektronicznego?




Q-9: Jak dobrać rezystor ograniczający prąd w układzie diody Zenera?




Q-10: W jakim kierunku powinna być spolaryzowana dioda Zenera by mogła pracować w układach stabilizacji napięcia.




Następna część - Budowa i działanie wybranych układów tranzystorowych. Wtórnik emiterowy, stabilizator napięcia, wzmacniacz oporowy w układzie WE, układ Darlingtona