Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

Transkriptio

1 Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät Tekijä: Mikko Laine Tekijän sähköpostiosoite: Koulutusohjelma: Fysiikka Mittausten suorituspäivä: Työn ohjaajan nimi: Otto Mankinen 1

2 Sisältö 1 Työn tarkoitus 3 2 Teoria 3 3 Mittausmenetelmät 3 4 Mittaustulokset ja niiden käsittely 5 5 Tulosten luotettavuuden arviointi 6 6 Lopputulokset ja johtopäätökset 6 7 Liitteet 6 2

3 1 Työn tarkoitus Työ tehtiin vastuksen, valodiodin sekä kahden eri materiaalista valmistetun diodin virran ja jännitteen riippuvuutta kuvaavan virta-jänniteominaiskäyrän määrittämiseksi. Mittaukset tehtiin potentiometrikytkennän avulla. Vastuksen virta-jänniteominaiskäyrästä määritettiin vastuksen resistanssi ja diodien virta-jänniteominaiskäyriä verrattiin ideaalisen diodin virta-jänniteominaiskäyrään. Lisäksi tutustutiin valodiodin käyttöön detektorina ja mitattiin valodiodin kautta kulkeva virta valolähteen ja diodin välisen etäisyyden funktiona. Samalla opeteltiin käyttämään digitaalista yleismittaria. Mittaustuloksia käsiteltiin taulukkomuodossa ja esitettiin graafisesti. 2 Teoria Vastus on komponentti, joka vastustaa tasa- ja vaihtovirran kulkua. Vastuskomponentin sähkövastus eli resistanssi mitataan ohmeissa. Resistanssin R arvo saadaan Ohmin laista R = U I, (1) missä U on vastuksen päiden välinen jännite ja I vastuksen kautta kulkeva virta. Diodi on komponentti, joka päästää sähkövirran kulkemaan lävitseen vain yhteen suuntaan. Työssä käytettiin piistä ja germaniumista valmistettuja diodeja. Ideaalisen diodin virta-jänniteominaiskäyrä on lineaarinen eikä diodi päästä yhtään virtaa lävitseen estosuunnassa. Ideaalisen diodin kautta kulkevaa virtaa I kuvaa yhtälö missä I s on diodin estosuuntainen kyllästymisvirta, 15nA, q on alkeisvaraus, 1, C, U on diodin yli kulkeva jännite, f on valmistustekniikasta riippuva vakio, 2, k on Boltzmannin vakio, 1, J K ja T on ympäristön lämpötila, 293K. I = I s (e qu fkt 1), (2) Valodiodi on valolle herkkä diodi, joka pimeässä toimii tavallisen diodin tapaan, mutta valolle altistettuna johtaa myös estosuuntaisena. Potentiometri on kolminapainen säätövastus, jolla tutkittavan laitteen päiden välistä jännitettä voidaan säädellä. 3 Mittausmenetelmät Työn mittaukset suoritettiin digitaalisella yleismittarilla. Vastuksen resistanssi määritettiin sekä sen merkintöjen perusteella, että yleismittarilla. Vastuksen sekä diodien virta-jänniteominaiskäyrät mitattiin kuvan 1 kytkentäkaavion mukaisella kytkennällä. Potentiometrin avulla säädettiin virralle mittauspöytäkirjan mu- 3

4 Kuva 1: Ominaiskäyrien mittaamisessa käytetty kytkentä kaiset arvot ja mitattiin niitä vastaavat jännitteet. Germaniumdiodin arvoja mitattiin myös estosuunnassa, jolloin jännite mitattiin sarjaankytkettyjen virtamittarin ja diodin yli. Valodiodin kohdalla mitattiin valonlähteen ja diodin välisen etäisyyden funktiona diodin kautta kulkeva virta. Mittauksissa käytettiin kuvan 2 kytkentäkaavion mukaista kytkentää. Kuva 2: Valodiodimittauksissa käytetty kytkentä 4

5 4 Mittaustulokset ja niiden käsittely Tämän työn liitteenä olevasta mittauspöytäkirjasta käyvät ilmi alkuperäiset havaintoarvot. Liitteinä on myös mittausten perusteella tehdyt kuvaajat. Virta-jänniteominaiskäyrät on piirretty sekä vastuksesta, molemmista diodeista että ideaalisesta diodista. Valodiodille piirrettiin myös diodin etäisyyden (valonlähteestä) neliön käänteisarvon funktiona sen kautta kulkeva virta. Vastuksen resistanssi määritettiin sen värikoodien perusteella, arvoksi saatiin 620Ω. Resistanssi määritettiin myös yleismittarilla, arvoksi saatiin tällöin 603Ω. Vastuksen resistanssi on määritetty myös sen virta-jänniteominaiskäyrän kulmakertoimen avulla, tämä on tehty liitteessä Kuva 1. Vastuksen virta-jänniteominaiskäyrä. Diodien kynnysjännitteet on määritetty silmämääräisesti liitteenä olevasta kuvaajasta Kuva 2. Diodin virta-jänniteominaiskäyrä seuraaviksi: germaniumdiodi 0, 350V; piidiodi 0, 620V ja valodiodi 0, 555V. Ideaalisen diodin virran arvot vastaavilla jännitteen arvoilla on taulukoitu taulukkoon 1, jonka pohjalta on piirretty liitteenä oleva kuvaaja Kuva 4. Ideaalisen diodin virtajänniteominaiskäyrä. Estosuunnassa jännitteen arvot ovat negatiivisia. Virran arvot on laskettu yhtälöä (2) hyödyntäen seuraavasti (esimerkkinä virran arvo jännitteellä 0, 60V) 1, C 0,60V I = I s (e qu fkt 1) = , A (e 23 K J 293K 1) 2, A = 2, 160mA Taulukko 1: Ideaalisen diodin virran arvot vastaavilla jännitteillä U(V) I(mA) 0, 30 14, , 20 14, , 15 14, , 10 12, , 07 11, , 04 8, , 02 4, , 01 2, , 30 5, , 40 4, , 45 0, 111 0, 50 0, 298 0, 55 0, 803 0, 60 2, 160 0, 64 4, 767 0, 66 7, 083 0, 68 10, 52 5

6 5 Tulosten luotettavuuden arviointi Mittausten suurimmat virheet syntyivät todennäköisesti valodiodin ja valonlähteen etäisyyden määrityksessä. Diodien kynnysjännitteiden määritys piirretyistä kuvaajista sisältää ehkä vielä enemmän tulkinnanvaraa. Itse sähköisissä mittauksissa ei liene juuri ihmislähtöisiä virheitä. 6 Lopputulokset ja johtopäätökset Tähän työhön tiiviisti liittyvät kuvaajat ovat työselostuksen liitteenä. Vastuksen resistanssiksi määritettiin sen värikoodin avulla 620Ω, digitaalisen yleismittarin avulla 603Ω ja sen virta-jänniteominaiskäyrän kulmakertoimen avulla 606Ω. Germaniumdiodin kynnysjännitteeksi määritettiin kuvaajan perusteella noin 0, 35V. Piidiodille sama suure sai arvon 0, 62V ja valodiodille 0, 56V. Ideaalisen diodin kynnysjännitteelle saatiin arvo 0, 58V. Valodiodimittausten perusteella piirretyn kuvaajan Kuva 3. Valodiodin kautta kulkeva virta etäisyyden nelion käänteisarvon funktiona käyrä on lähestulkoon lineaarinen. Diodien virta-jänniteominaiskäyristä havaitaan, että germaniumdiodi eroaa ominaisuuksiltaan merkittävästi pii-, valo- ja ideaalidiodiin verrattuna - germaniumdiodin yli kulkeva jännite kasvaa sen kautta kulkevaa virtaa nostettaessa selvästi enemmän. 7 Liitteet Tämän työselostuksen liitteenä on mittauspöytäkirja sekä neljä numeroitua, millimetripaperille piirrettyä, kuvaajaa. 6