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 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 4 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 5 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 og, brukte vi et oscilloskop i DC-mode. Frekvensen til både og 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 og med oscilloskopet: Figur 24 Spenningen over og med motsatt retning på dioden Legg merke til at 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 i parallell med R4. Figur 27 Toveis likeretter med et RC-ledd 20
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 P- type 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 N- typen 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