LU07 - Polovodičová dioda

Pomůcky

• Systém ISES, moduly: voltmetr, ampérmetr, křemíková germaniová, svítivá (LED) dioda,
• tři LED na panelu s rezistory, sada rezistorů, 2 spojovací vodiče s hroty, 6 spojovacích vodičů s banánky,
• dvě krokosvorky, multimetr (např. M3900), trubička pro zastínění,
• soubory: dioda1.imc, dioda2.imc, dioda3.imc, dioda4.

Úkoly

1. Proměřit voltampérovou charakteristiku křemíkové, germaniové a LED diody.
2. Naučit se ovládat výstupní napětí z počítače.
3. Určit proud I_min, při němž začínají svítit jednotlivé LED a určit proud I_prac, při němž již svítí plně.

Teorie

Voltampérovou charakteristiku měříme v propustném i závěrném směru.

V závěrném směru má dioda velký odpor srovnatelný s odporem voltmetru, proto je třeba změnit oproti propustnému směru zapojení ampérmetru a voltmetru. Rezistor omezující proud je nyní zbytečný.
Jestliže zapojíme svítivou (LED) diodu v propustném směru, začne při určité hodnotě proudu svítit. Při srovnání se žárovkou se však jedná o výrazně nižší proud. Světlo vzniká u žárovky rozžhavením vlákna, u LED jde o energetické změny v elektronových obalech. Dioda zůstává chladná.

Nastavení:
dioda1.imc - start krokový (20 kroků), výstup: pila od 0 Vdo 3,5 V, panel č.1 - graf I=f(U) proud I od 0 mA do 10 mA, napětí U od 0 do 3 V,
dioda2.imc - start krokový (15 kroků), výstup: pila od 0 V do 5 V, panel č.1 - graf I=f(U) proud I od –1 mA do 10 mA, napětí U od –5 V do 0 V. Panel č.2 - proud –1 mA až 1 mA digitálně (3 desetinná místa).

Provedení

1. úkol

Na modulu voltmetr nastavíme rozsah 10 V s nulou na kraji a zasuneme jej do kanálu A. Na modulu ampérmetr nastavíme rozsah 10 mA s nulou na kraji a zasuneme jej do kanálu B.

Učitelský počítač musí být spuštěný. Poklepáním na „Software G“ si zpřístupníme potřebné soubory a spustíme ISES. Založíme nový experiment a načteme do konfigurace „dioda1.imc“.

Zapojíme křemíkovou diodu v propustném směru (obr. 1), jako zdroj napětí použijeme výstupní kanál E.

Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!

Soubor „dioda1.imc“ nastavil měření ve 20 krocích přičemž počítač vždy po stisknutí ENTER zvýší napětí v kanálu E a přečte napětí a proud v kanálech A, B. Na obrazovku současně umístí bod do voltampérové charakteristiky v propustném směru. Spustíme měření tlačítkem OK.

Po 20 krocích klikneme na „Zpracování“ a „Klouzavý odečet“ a v okně napravo se objeví souřadnice naměřených bodů. Opíšeme je do tabulky č.1, abychom mohli sestrojit graf.

Z grafu na obrazovce určíme prahové napětí U_F0, to je napětí, při kterém proud diodou začíná výrazně vzrůstat. Tímto napětím se budou jednotlivé diody lišit. Současně určíme úbytek napětí na diodě při proudu 5 mA a zapíšeme U_Si.

Vyměníme diodu za germaniovou v propustném směru a nahradíme experiment pomocí a červených šipek . Proměříme voltampérovou charakteristiku a totéž zopakujeme ještě pro samostatnou červenou LED. Vezmeme znovu křemíkovou diodu a zapojíme ji v

Vezmeme znovu křemíkovou diodu a zapojíme ji v závěrném směru (obr. 2). Ampérmetr je třeba přepnout na nejcitlivější rozsah, tedy 1 mA. Načteme do konfigurace „dioda2.imc“.

Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!

Měření provedeme v nastavených 15 krocích klávesou ENTER. V horním okně se kreslí body do grafu závěrné charakteristiky (na osách jsou záporná čísla) a v dolním okně se zobrazuje proud, který je většinou roven nule. Dioda v tomto směru proud téměř nepropouští. Hodnoty zapíšeme do tabulky č.2.

Měření v závěrném směru zopakujeme pro germaniovou a LED. Rozebereme celý obvod.

2. úkol

Pomocí červených šipek nahradíme experiment a načteme do konfigurace „dioda3.imc“. Na multimetru M3900 nastavíme rozsah 20 V/DCV (stejnosměrný rozsah) a připojíme jej k výstupnímu kanálu E. Zdířka „COM“ se připojí ke zdířce uzemnění a zdířka označená „V/Ω“ se připojí ke zdířce ±.

Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!

Po stisku OK se na obrazovce v horním okně kreslí graf – závislost výstupního napětí na čase. V dolním okně je napětí zobrazené digitálně. Tato hodnota by se měla dobře shodovat s napětím, které měří digitální voltmetr. Zatím je napětí nula.

Naučíme se ovládat výstupní napětí v kanálu E, které lze nastavit v rozsahu –5 V až +5 V, zatím v ručním řízení. Tlačítka na numerické klávesnici mají tyto funkce:

klávesa	napětí	klávesa	napětí
1	1 V	Alt+1	-1 V
2	2 V	Alt+2	-2 V
3	3 V	Alt+3	-3 V
4	4 V	Alt+4	-4 V
5	5 V	Alt+5	-5 V
0	0 V
+	jemně zvyšuje napětí
-	jemně snižuje napětí
*	hruběji zvyšuje napětí
/	hruběji snižuje napětí

Vyzkoušíme nejprve ovládání čísly a pak i vše ostatní. Záporné napětí znamená, že zdířka označená ± má proti uzemněné záporný potenciál. Do protokolu zapíšeme krok, o kolik se mění napětí při použití „+“ a „-“ a pak také při použití „*“ a „/“.

3. úkol

Dvojitým kliknutím „STOP“ přerušíme měření, klikneme na červené šipky a načteme do konfigurace „dioda4.imc“. Provedeme zapojení jedné z trojice svítivých diod podle následujícího obr: 3.

Na ampérmetru ISES přepneme na rozsah 10 mA! Předřadný rezistor je již zabudován na panelu.

Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!

Po kliknutí na OK se objeví na obrazovce 3 okna. V tom horním se digitálně zobrazuje proud diodou, v prostředním je graf závislosti nastavovaného napětí na čase a v dolním je nastavené napětí zobrazeno digitálně.

Umístíme na diodu trubičku pro odstínění denního světla, začneme na numerické klávesnici zvyšovat napětí a pečlivě sledujeme okamžik, kdy se dioda ve tmě slabounce rozsvítí. Proud I_min zapíšeme do protokolu. Pak postupně zvyšujeme napětí až do 5 V. Snažíme se najít proud I_prac, při kterém se již jas diody nezvyšuje. Zapíšeme do protokolu a přesuneme vodič na rezistor další diody. Všechny tři katody jsou propojené, proto jeden vodič zůstává na místě. Proměříme všechny tři LED.

Zkrácená verze

• Na voltmetru nastavíme rozsah 10 V s nulou na kraji a zasuneme do kanálu A. Na ampérmetru nastavíme rozsah 10 mA s nulou na kraji a zasuneme do kanálu B.
• Zapojíme křemíkovou diodu v propustném směru, zdrojem napětí je výstupní kanál E.
• Poklepáním na „Software G“ si zpřístupníme soubory dioda1.imc až dioda4.imc a spustíme ISES.
• Založíme nový experiment a načteme do konfigurace dioda1.imc.
• Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!
• V krokovém režimu změříme graf a pomocí „Zpracování dat“ a „Klouzavý odečet“ získáme hodnoty pro tabulku č.1.
• Určíme prahové napětí U_F0 a úbytek napětí U_Si na diodě při proudu 5 mA.
• Zopakujeme postup pro germaniovou diodu a LED.
• Načteme do konfigurace „dioda2.imc“.
• Zapojíme křemíkovou diodu v závěrném směru.
• Ampérmetr je třeba přepnout na 1 mA.
• Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!
• V krokovém režimu změříme graf a zapíšeme hodnoty do tabulky č. 2.
• Zopakujeme pro germaniovou diodu a LED. Rozebereme celý obvod.
• Pomocí červených šipek nahradíme experiment a načteme „dioda3.imc“.
• Multimetr přepneme na 20 V/DCV a připojíme k výstupnímu kanálu E.
• Klávesami podle tabulky řídíme výstupní napětí.
• Zapíšeme do protokolu krok napětí.
• Dvojitým kliknutím na „STOP“ přerušíme měření, pak červené šipky, načteme do konfigurace „dioda4.imc“.
• Zapojíme jednu z LED na panelu podle obr. 3.
• Ampérmetr ISES přepneme na rozsah 10 mA!
• Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!
• Ovládáme výstupní napětí a pro každou ze tří LED určíme I_min a I_prac.

Protokol

Název: Polovodičová dioda
Pomůcky:
Teorie:
Vypracování:

Tabulka č.1: Diody v propustném směru

číslo měření	Křemíková dioda KY 722		Germaniová dioda GA 203		LED
	UF V	IF mA	UF V	IF mA	UF V	IF mA
1	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
2	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
3	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
4	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
5	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
6	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
7	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
8	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
9	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
10	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
11	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
12	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
13	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
14	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
15	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
16	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
17	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
18	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
19	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
20	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .

Prahové napětí:		Úbytek napětí při 5 mA:
křemíková	UF0 = . , . . V	USi = . , . . V
germaniová	UF0 = . , . . V	UGe = . , . . V
LED	UF0 = . , . . V	ULED = . , . . V

Tabulka č.2: Diody v závěrném směru

číslo měření	Křemíková dioda KY 722		Germaniová dioda GA 203		LED
	UR V	IR mA	UR V	IR mA	UR V	IR mA
1	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
2	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
3	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
4	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
5	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
6	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
7	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
8	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
9	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
10	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
11	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
12	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
13	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
14	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
15	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
16	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
17	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
18	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
19	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .
20	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .	. , . . .

Graf: Voltampérová charakteristika všech tří diod v jediném grafu.

Krok napětí řízený pomocí „ + “ a „ - “         ΔU = . , . V

Krok napětí řízený pomocí „ * “ a „ / “         ΔU = . , . V

Tabulka č.3: Proudy svítivých diod

Červená dioda		Žlutá dioda GA 203		Zelená dioda
Imin mA	Iprac mA	Imin mA	Iprac mA	Imin mA	Iprac mA
. , . .	. , .	. , . .	. , .	. , . .	. , .

Závěr:

Diskutovat odlišnosti voltampérových charakteristik v propustném a závěrném směru, porovnat prahová napětí a úbytky napětí při průchodu proudu 5 mA. Jakou regulaci napětí umožňuje měřicí systém ISES? Porovnat proudy, při kterých svítí LED různých barev.

Výsledky

Tabulka č.1: Diody v propustném směru

číslo měření	Křemíková dioda KY 722		Germaniová dioda GA 203		LED
	UF V	IF mA	UF V	IF mA	UF V	IF mA
1	0,032	0	0,024	0,022	0,088	0,024
2	0,024	0,02	0,024	0,024	0,078	0,002
3	0,103	0,002	0,115	0,132	0,103	0,002
4	0,415	0,098	0,242	0,508	0,364	0,002
5	0,471	0,474	0,352	0,908	0,574	0,002
6	0,518	1,035	0,41	1,38	0,735	0,01
7	0,559	1,651	0,488	1,895	0,987	0,002
8	0,549	2,276	0,486	2,357	1,243	0,01
9	0,569	2,867	0,596	2,862	1,36	0,049
10	0,586	3,541	0,63	3,382	1,607	0,315
11	0,611	4,166	0,622	3,927	1,651	0,833
12	0,596	4,857	0,701	4,464	1,663	1,407
13	0,606	5,509	0,772	4,974	1,658	2,032
14	0,625	6,144	0,796	5,509	1,685	2,628
15	0,625	6,818	0,86	6,039	1,739	3,258
16	0,664	7,477	0,908	6,608	1,739	3,912
17	0,623	8,176	0,947	7,133	1,741	4,571
18	0,664	8,852	0,974	7,663	1,763	5,209
19	0,669	8,48	1,031	8,227	1,753	5,846
20	0,674	-	1,074	8,759	1,766	6,481

Prahové napětí:		Úbytek napětí při 5 mA:
křemíková	UF0 = 0,45 V	USi = 0,61 V
germaniová	UF0 = 0,19 V	UGe = 0,77 V
LED	UF0 = 1,60 V	ULED = 1,76 V

Tabulka č.2: Diody v závěrném směru

číslo měření	Křemíková dioda KY 722		Germaniová dioda GA 203		LED
	UR V	IR mA	UR V	IR mA	UR V	IR mA
1	-0,027	0,000	-0,022	-0,001	-0,078	0,000
2	-0,051	-0,002	-0,078	-0,002	-0,051	0,000
3	-0,337	0,000	-0,366	-0,001	-0,325	-0,002
4	-0,676	0,000	-0,713	0,000	-0,674	-0,002
5	-0,989	-0,002	-0,994	0,000	-0,982	-0,002
6	-1,411	0,000	-1,360	-0,004	-1,353	0,000
7	-1,768	-0,002	-1,783	-0,001	-1,783	0,000
8	-2,159	-0,002	-2,134	-0,004	-2,093	0,000
9	-2,486	-0,002	-2,505	-0,004	-2,505	0,000
10	-2,852	-0,002	-2,852	-0,001	-2,852	-0,002
11	-3,204	0,000	-3,162	-0,004	-3,223	-0,002
12	-3,519	-0,002	-3,455	-0,001	-3,446	0,000
13	-3,827	0,000	-3,917	-0,004	-3,932	-0,002
14	-4,264	-0,002	-4,225	-0,001	-4,264	0,000
15	-4,530	0,000	-4,530	-0,004	-4,557	-0,002

Krok napětí řízený pomocí „ + “ a „ - “         ΔU = 0,1 V

Krok napětí řízený pomocí „ * “ a „ / “         ΔU = 0,5 V

Tabulka č.3: Proudy svítivých diod

Červená dioda		Žlutá dioda GA 203		Zelená dioda
Imin mA	Iprac mA	Imin mA	Iprac mA	Imin mA	Iprac mA
0,20	9,0	0,18	5,5	0,08	5,5

Závěr:

Ukázky měřicích obrazovek

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 21.7.2014