Transcript LABORATORIERAPPORT

LABORATORIERAPPORT
Halvlederdioden
AC-beregninger
AV
Christian Egebakken
Sammendrag
I dette prosjektet har vi forklart den grunnleggende teorien bak dioden. Vi har undersøkt noen
av bruksområdene til vanlige halvlederdioder og zenerdioder i ulike forsøk. Bruksområdene
vi fokuserte på i dette prosjektet er ulike klippe og likeretting kretser.
De viktigste observasjonene vi har gjort er at en vanlig halvleder diode har en lederetning,
hvor den leder strøm når spenningen over dioden overstiger 0.7V. Dioden har en sperreretning
som står i motsatt retning for lederetningen, hvor strømoverføringen blir sperret.
Vi har observert at det er en vesentlig forskjell mellom reell og ideell karakteristikk for en
vanlig halvlederdiode. Dette kan i mange tilfeller medføre avvik mellom teori og praksis. I
henhold til en diodens ideelle karakteristikk, skulle dioden ikke ledet strøm før spenningen
nådde 0.7V. Man skulle også hatt en maksimal og øyeblikkelig strømoverføring i dette
punktet. Det som derimot skjer i henhold til diodens reelle karakteristikk, er at strømmen
beveger seg med tiden mot maksimal strømoverføring når spenningen nærmer seg 0.7V. Det
samme skjer med spenningen, hvor den også øker litt med tiden.
En zenerdiode er en halvlederdiode som er sterkt ledende ved en gitt zenerspenning. Denne
spenningen fungerer i diodens sperreretning, mens den gjennom vanlig lederetning funger
som en vanlig halvleder diode. Zenerspenningen for den spesifikke dioden kan man finne i
diodens datablad.
Vi fant ut at vi kan benytte dioder til å lage en likeretter som kan gjøre om vekselspenning til
likespenning som mange av dagens elektriske komponenter i dag krever. Ved å benytte en
toveis likeretter istedenfor en enveis, gav dette oss en jevnere strøm og et mindre effekttap.
Innholdsfortegnelse
Kapittel Emne
Sidetall
1
Innledning
1
2
Utstyr
2
3
Teori
3
4
5
3.1 Grunnleggende teori om halvleder, diode og zenerdiode
4
3.2 Teori i henhold til spørsmål
6
3.3 Klippekrets 1
7
3.4 Klippekrets 2
8
3.5 Klippekrets 3 med zenerdioder
9
3.6 Enveis likeretter
11
3.7 Toveis likeretter
12
Gjennomføring med måleresultater
14
4.1 Klippekrets 1
14
4.2 Klippekrets 2
15
4.3 Klippekrets 3 med zenerdioder
16
4.4 Enveis likeretter
17
4.5 Toveis likeretter
19
Diskusjon
23
5.1 Klippekrets 1,2 & 3
23
5.2 Enveis likeretter
25
5.3 Toveis likeretter
26
6
Konklusjon
28
7
Litteraturreferanser
30
1. Innledning
I dette prosjektet skal vi forklare den grunnleggende teorien bak dioden. Deretter skal vi
undersøke noen av bruksområdene til vanlige halvlederdioder og zenerdioder, som i dette
prosjektet skal omhandle ulike klippe og likerettingskretser. Disse kretsene skal vi koble opp
og måle med ulike måleinstrumenter for å skape et grunnleggende bilde av bruksområdet for
dioden. For å gjennomføre dette prosjektet må vi benytte oss av diodens spesifikke datablad
for å forstå diodens egenskaper og begrensninger.
For å gjennomføre alle forsøkene i prosjektet, har vi alle de nødvendige måleinstrumentene og
komponentene.
1
2. Utstyr
Instrumenter
Type
Fabrikat
Serienummer
Signalgenerator
Agilent 33220
Oscilloskop
PM 2275
Digitalt multimeter
GW GDM 354A
Komponenter
Si-signaldiode
4stk 1N4148
Kondensator
1stk 100µF
1stk 10µF
Motstand
1stk 180
1stk 1k
Zenerdiode
1stk BZX55/C6V8
1stk BZX55/C4V7
2
3. Teori
Halvledere
Halvledere er stoffer som i sin rene form ikke er gode ledere. Men ved noen tilpasninger vil
de kunne lede strøm effektivt.
Atomene hos en halvleder låner bort sine ytterste elektroner til atomene rundt seg. Dette fører
til at dem fyller opp skallene til hverandre.
Figur 1 – Silisiumatomet
Som ved silisium blir alle ytterskallatomene involvert i bindingene mellom atomene.
Som i figuren over, er det silisium som er det mest vanlige halvlederstoffet i moderne
elektroniske komponenter som dioder og transistorer.
Ved å tilsette halvlederstoffet andre grunnstoffer vil man kunne gi halvlederen et overskudd
eller underskudd av elektroner, dette kalles for doping. De områdene hvor det er et
underskudd av elektroner kalles for hull.
3
En halvleder er P-dopet hvis den har et underskudd av elektroner og den er N-dopet hvis den
har et overskudd av elektroner.
Figur 2 – N og P type (Silisium)
Diode
For å konstruere en diode trenger vi en N-type og P-type halvleder. Mellom disse er det et
grenseområde som blir kalt for PN-overgangen, som fungerer som den aktive delen av dioden.
Som vi har forklart tidligere har P-type halvlederen frie hull og N-typen frie ladningsbærere.
Det som skjer når en diode påtrykkes en spenning som gjør at P-typen blir positiv og N-typen
negativ, er at elektroner blir overført fra N-typen til P-typen, samtidig som at hull fra P-typen
trekkes mot N-type. Det er denne prosessen som fører til at dioden starter å lede strøm. Om
spenningen påtrykkes fra motsatt retning vil den ikke kunne lede strøm. Grunnlaget for dette
er at de ikke befinner seg frie elektroner hos P-typen, som kan trekkes mot den positive
spenningen hos N-typen.
Figur 3 – P-type, N-type og PN-overgang
4
En diode er dermed en kretskomponent som har to ulike tilkoblingspunkter kalt anode og
katode. Hvis vi kobler til den positive polaritet til anoden og den negative til katoden vil den
kunne lede strøm ved en gitt spenning. Om vi kobler dioden i motsatt retning, vil
gjennomgangen av strøm bli sperret. Dette blir kalt for diodens sperreretning.
Figur 4 – Diode
Zenerdiode
En zenerdiode er en halvlederdiode som blir sterkt ledende ved en gitt zenerspenning. Denne
spenningen fungerer i diodens sperreretning, mens gjennom lederetning oppfører den seg som
en vanlig halvlederdiode. Hvilken zenerspenning dioden har finnes i diodens datablad.
Figur 5 - Zenerdiode
5
3.1 - Teori i henhold til spørsmål.
Dioden BZX55/C6V8 tåler en effekt på 500mW. Zenerspenningen til denne dioden er 6.8V
og dette er målt med en strøm på 5mA. Maksimal
er 1.5V og det gjelder
For å regne ut DC-spenningen med enveis likeretting anvendes:
, hvor A er signalets amplitude.
Ved toveis likeretting anvendes:
6
.
3.2 - Klippekrets 1.
Figur 6 – Enkel klippekrets
Dette er en helt enkel klippekrets, som klipper det innsendte signalet kun i positiv
halvperiode. Denne egenskapen kommer fra dioden i kretsen, som klipper den positive
halvperioden når spenningen overgår 0.7V. Årsaken til at den ikke klippes i negativ
halvperiode, er fordi dette er diodens sperreretning hvor motstanden er veldig høy.
Figur 7 – Teoretisk kurve for spenningen over D3
7
3.3 - Klippekrets 2.
Figur 8 – Utvidet klippekrets
Denne kretsen er en utvidet klippekrets, med to dioder plassert i parallell. Ved å plassere
diodene motsatt rettet av hverandre i parallell, får vi en teoretisk spenning som vil klippes i
positiv halvperiode på 0.7V og negativ halvperiode på -0.7V.
Figur 9 – Teoretisk kurve for spenningen over diodenes parallellkobling i kretsen.
8
3.4 – Klippekrets 3 med zenerdioder.
Figur 10 – Klippekrets med zenerdioder
Dette er en krets som har to motsatt rettede zenerdioder i serie. Zenerspenningen til D4 er
4,7V, mens D5 har en zenerspenning på 6,8V. Det teoretiske signalet Vut blir klippet ved
5.4V i positiv halvperiode og 7.5V i negativ halvperiode. Dette er fordi D4 klipper ved 4,7V
og D5 begynner å lede når den får 0.7V over seg i postiv halvperiode. I negativ halvperiode
vil D5 klippe ved 6.8V og D4 begynne å lede når den får 0.7V over seg.
Positiv halvperiode:
4.7V+0.7V=5.4V
Negativ halvperiode:
6.8V+0.7V=7.5V
9
Figur 11 – Teoretisk kurve for spenningen Vut i kretsen
10
3.5 – Enveis likeretter.
Figur 12 – Krets for enveis likeretter
Denne kretsen er en enveis likeretter hvor vi skal undersøke DC spenningen over R2. Denne
spenningen skal vi senere kontrollmåle med et multimeter. Den teoretiske spenningen finner
vi ved å ta amplituden til halvperioden som er 10V,deretter trekke fra 0.7V for dioden.
Formelen tilsier dermed at den teoretiske DC spenningen over R2 er:
=
11
3.6 – Toveis likeretter
Figur 13 – Prinsippskisse for en toveis likeretter
Prinsippskissen ovenfor viser en toveis likeretter som skal likerette signalet V2 i både positiv
og negativ halvperiode over motstanden R4.
Ved å benytte oss av en likeretter bru, kan vi skissere kretsen til en toveis likeretter med last:
Figur 14 – Skisse av en toveis likeretter
12
Dersom vi ønsker at strømmens retning i signalets positive og negative halvperiode skal legge
seg andre veien over lasten R4, må vi iverksette noen små modifikasjoner. Ved å snu alle
diodene i motsatt retning, får vi en toveis likeretter som har en strøm som legger seg i motsatt
retning i forhold til figur 14 over lasten R4.
Figur 15 – Skisse av toveis likeretter med omvendt strømretning over lasten R4, i forhold til figur 14.
13
4. Gjennomføring med måleresultater
4.1 - Klippekrets 1.
Figur 16 – Enkel klippekrets
Vi koblet opp den enkle klippekretsen i henhold til figur 16. Som spenningskilde V1 anvendte
vi en signalgenerator med innstillingene 20Vpp, 50Hz og utgang satt som High Z.
Måleresultatene av spenningen V1 og spenningen over dioden D3, ble gjort med et
oscilloskop som var satt i DC mode.
Figur 17 – Målt og teoretisk kurve for spenningen over dioden og V1.
14
4.2 – Klippekrets 2.
Figur 18 – Utvidet klippekrets
Vi koblet opp kretsen i henhold til figur 18. Som spenningskilde V1 anvendte vi en
signalgenerator med innstillingene 20Vpp, 50Hz og utgang satt som High Z.
Måleresultatene av spenningen V1 og spenningen over dioden D3 og D5, ble gjort med et
oscilloskop som var satt i DC mode.
Figur 19 – Målt og teoretisk kurve for spenningen over dioden og spenningen V1.
15
4.3 - Klippekrets 3 med zenerdioder.
Figur 20 – Klippekrets med zenerdioder
Vi koblet opp kretsen i henhold til figur 20. Som spenningskilde V1 anvendte vi en
signalgenerator med innstillingene 20Vpp, 50Hz og utgang satt som High Z.
Måleresultatene av spenningen V1 og Vut, ble gjort med et oscilloskop som var satt i DC
mode.
Figur 21 – Målt og teoretisk kurve for spenningen Vut og V1.
16
4.4 - Enveis likeretter.
Figur 22 – Krets for enveis likeretter
Vi koblet opp kretsen i henhold til figur 22. Som spenningskilde V1 anvendte vi en
signalgenerator med innstillingene 20Vpp, 50Hz og utgang satt som High Z.
Til å måle spenningene
Frekvensen til både
og
og
, brukte vi et oscilloskop i DC-mode.
var lik:
Vi kontrollmålte DC spenningen over R2 med et multimeter:
DC spenning
Spenning
Målt
2.7V
Teoretisk
2.96V
Avvik fra teori
0.26V
17
Vi målte
med oscilloskopet:
Figur 23 – Spenningen over
Vi koblet dioden D15 motsatt vei. Deretter målte vi spenningene
Figur 24 – Spenningen over
Legg merke til at
og
og
med oscilloskopet:
med motsatt retning på dioden
er på 8V i forhold til 9V på den forrige målingen. Årsaken til dette er at
sperreretningen på dioden D15 nå er motsatt vei i forhold til forrige måling og vi får et
spenningstap gjennom dioden før vi måler
.
18
4.5 - Toveis likeretter.
Figur 25 – Toveis likeretter
Vi koblet opp kretsen i henhold til figur 25. Som spenningskilde V1 anvendte vi en
signalgenerator med innstillingene 20Vpp, 50Hz og utgang satt som High Z. Med
oscilloskopet målte vi spenningen over motstanden R4. Legg merke til at vi denne gangen
fikk med begge halvperiodene av signalet i forhold til en enveis likeretter. Vi kommenterer
hvorfor signalet har en liten tidsperiode på 0V i diskusjonen.
Figur 26 – Spenningen over R4 i figur 25
19
Med et multimeter målte vi DC spenningen over R4 og sammenlignet den med den teoretiske
verdien:
DC spenning
Spenning
Målt
4.85V
Teoretisk
5.47V
Avvik fra teori
0.62V
Deretter utvidet vi kretsen med en kondensator C2 på
Figur 27 – Toveis likeretter med et RC-ledd
20
i parallell med R4.
Med oscilloskopet målte vi spenningen over RC leddet i både DC og AC mode.
Figur 28 – Signalene for både DC og AC-mode med et RC ledd med kondensator på
Med et multimeter målte vi DC-spenningen til å være 6.90V, mens rippelens peak-peak verdi
kunne vi lese av til å være 0.6V.
21
Etterpå byttet vi ut kondensatoren på
til en på
og observerte endringene på
oscilloskopet.
Figur 29 – Signalene for DC og AC-mode med kondensator på
Legg merke endringene på rippelens peak-peak verdi verdi. Den gikk fra å være 0.6V til å
være 4V når vi byttet kondensatoren til
.
22
5. Diskusjon
Klippekretser (1,2,3)
I samtlige kretser ble spenningen litt høyere enn den teoretiske verdien. Målingene var
derimot som forventet med små avvik som stemte relativt bra opp mot de teoretiske verdiene,
med en minimal økning på peekene. Årsaken til dette skyldes mest sannsynlig forskjellen
mellom den ideelle og reelle diode karakteristikken.
Forskjellen mellom diodens reelle og ideelle karakteristikk kommer tydelig frem i forsøkene.
I henhold til diodens ideelle karakteristikk, skulle dioden ikke ledet strøm før spenningen
nådde 0.7V. Man skulle også hatt en maksimal og øyeblikkelig strømoverføring i dette
punktet. Det som derimot skjer i henhold til diodens reelle karakteristikk er at strømmen
beveger seg med tiden mot maksimal strømoverføring når spenningen når 0.7V. Det samme
skjer med spenningen, hvor den også øker litt med tiden.
Dette er illustrert i grafene under for diodens reelle og ideelle karakteristikk:
Figur 30: Reell diodekarakteristikk
Figur 31: Ideell diodekarakteristikk
23
I krets tre, benyttet vi oss av to zenerdioder som ble plassert mot hverandre. Zenerspenningen
gjelder i diodens sperreretning og i lederetning fungerer den som en vanlig halvlederdiode.
Derfor må vi legge til 0.7V, ettersom at de ble plassert mot hverandre. Her observerte vi det
samme fenomenet med forskjellen på ideell og reell diodekarakteristikk i lederetning.
Andre påvirkningsfaktorer på målingene er en 50Ω motstand i signalgeneratoren og
eventuelle menneskelige avlesningsfeil fra oscilloskopet ettersom det var svært nøyaktige
verdier vi opererte med.
24
Enveis likeretter
Hensikten med en likeretter er å gjøre om vekselspenning til likespenning. Dette er fordi
mange elektriske komponenter krever likespenning.
Figur 32 – Spenningen over
Som vi kan observere på grafen over sperrer dioden i figur 31 for den negative halvperioden,
fordi motstanden blir for høy i sperreretningen. Dermed blir halvparten av signalet borte.
For å få med den andre halvdelen av signalet må vi benytte oss av en toveis likeretter, som vi
skal se nærmere på i neste oppgave.
Ved å sammenligne målt og teoretisk DC-spenning fikk vi dette avviket:
DC spenning
Spenning
Målt
2.7V
Teoretisk
2.96V
Avvik fra teori
0.26V
En av feilkildene kan være forskjellen mellom ideell og reell diodekarakteristikk. Andre
påvirkningsfaktorer på målingene er en 50Ω motstand i signalgeneratoren og eventuelle
menneskelige avlesningsfeil fra oscilloskopet, ettersom det var svært nøyaktige verdier vi
opererte med.
25
Toveis likeretter
Hensikten med denne kretsen er lik som med enveis likeretter. Fordelen med denne kretsen i
forhold til enveis likeretter er at vi får med hele signalet som vi sender inn. Vi kunne se en
forskjell på avviket mellom målt DC-spenning i enveis og toveis likeretter:
Avvik fra teori i enveis likeretter
0.26V
Avvik fra teori i toveis likeretter
0.62V
Forskjellen på avviket skyldes nok at vi denne gangen må gjennom to dioder istedenfor en.
Men årsaken til at vi får avvik i begge, kan skyldes mest sannsynlig forskjellen på ideell og
reell diodekarakteristikk som vi har gjennomgått tidligere.
I grafen under kan vi observere at vi får en ‘’hviletid’’ på omtrent 0.9ms.
Figur 33 Spenningen over R4 i figur 25
Denne ‘’hviletiden’’ ved 0V, skyldes mest sannsynlig tiden det tar før dioden begynner å lede
og igjen forskjellen på ideell og reell diodekarateristikk. Det tar litt tid før spenningen over
dioden overstiger 0.7V og starter å lede strøm.
26
Figur 34 - Signalene for både DC og AC-mode med et RC ledd med kondensator på
Årsaken til at vi får en peak-peak verdi på 0.6V er det på grunn av kondensatorens oppladning
og utladningstid. Ved å bytte kondensatoren på
til en på
ble rippelens peak-peak
verdi 4V. Altså blir rippelens peak-peak verdi større ettersom at kondensatorens verdi blir
lavere.
27
6. Konklusjon
Vi har gjennom dette prosjektet funnet ut at halvledere i sin rene form ikke er gode ledere.
Ved å tilsette halvlederstoffet andre grunnstoffet kan vi gi halvlederen et overskudd eller
underskudd av elektroner, også kalt doping. Grunnen til dette er at atomene hos en halvleder
låner bort sine ytterste elektroner til atomene rundt seg og dette fører til at dem fyller opp
hverandres ytterste skall. Vi kaller en halvleder som har et underskudd av elektroner for Ptype og en som har overskudd av elektroner for P-type.
For å konstruere en vanlig halvlederdiode som vi har benyttet oss av i dette prosjektet må vi
sette sammen en N-type og P-type. Mellom disse befinner det seg et område som vi kaller
PN-overgangen, som er den aktive delen av dioden. N-delen av dioden har frie
ladningsbærere, mens P-delen har frie hull. Det som skjer når en diode påtrykkes spenning
som gjør at P-typen blir postiv og N-typen blir negativ, er at elektroner blir overført fra Ntypen til P-typen, samtidig som at hull fra P-typen trekkes mot N-typen. Om spenningen
påtrykkes fra motsatt retning vil den ikke kunne lede strøm, fordi det ikke befinner seg frie
elektroner hos P-typen, som kan trekkes mot den positive spenningen hos N-typen.
Gjennom forsøkene i prosjektet fikk vi bekreftet noen av egenskapene og bruksområdene for
dioden. Målingene våre bekreftet at en vanlig diode leder strøm i en retning, mens den sperrer
strøm i motsatt retning også kalt sperreretning. Strømmen passerer lederetning, når
spenningen over dioden overstiger 0.7V. Når spenningen har passert 0.7V vil strømmen
gjennom lederetning stige slik at endringen på spenningen blir liten, og vi får en klippekrets.
28
I henhold til diodens ideelle karakteristikk, skulle dioden ikke ledet strøm før spenningen
nådde 0.7V. Man skulle også hatt en maksimal og øyeblikkelig strømoverføring i dette
punktet. Det som derimot skjer i henhold til diodens reelle karakteristikk er at strømmen
beveger seg med tiden mot maksimal strømoverføring når spenningen når 0.7V. Det samme
skjer med spenningen, hvor den også øker litt med tiden.
Vi fikk bekreftet zenerdioden er en halvlederdiode som blir sterkt ledende ved en gitt
zenerspenning. Denne spenningen fungerer i diodens sperreretning, men gjennom lederetning
oppfører den seg som en vanlig halvlederdiode.
Gjennom forsøkene fant vi ut at en toveis likeretter gav oss en jevnere strøm og et mindre
effekttap, i forhold til en enveis likeretter. Årsaken til dette er at det kun blir med en
halvperiode fra vekselspenningen med en enveis likeretter, i motsetning til en toveis likeretter
der hele signalet blir med. Vi fant ut at vi kan anvende en kondensator i likeretter kretsen for å
få et jevnere signal og en mer effektiv spenningverdi.
29
7. Litteraturreferanser
______________________________________________________________
Underskrift / Sted / Dato
30