Mit diesem Versuch soll der Zusammenhang zwischen der an einer Dioden anliegenden Spannung und der Stärke des daraus resultierenden Stroms durch die Diode untersucht werden (Aufnahme der Kennlinie).

Aufbau und Durchführung

Messung in Sperrrichtung

Messung in Durchlassrichtung

Als Diode kann man z.B. eine gewöhnliche Siliziumdiode verwenden. Gerade für den Sperrbereich ist aber auch eine Germaniumdiode interessant.

Bei Polung in Sperrrichtung ist die sogenannte "stromrichtige" Schaltung der Messgeräte geeigneter, bei Polung in Durchlassrichtung ist die sogenannte "spannungsrichtige" Messung zu wählen (siehe hierzu auch die untenstehende Aufgabe).

Man steigert die Spannung des Netzgerätes (\(0{\rm{V}} - 3{\rm{V}} - \)) allmählich und notiert jeweils die Spannung über der Diode und die Stärke des Stroms durch die Diode.

Bei der Messung in Sperrrichtung zählen wir die Spannung negativ, bei der Messung in Durchlassrichtung zählen wir sie positiv.

Beobachtung

Siliziumdiode

Bei Polung im Sperrbereich ist auch mit einem sehr empfindlichen Strommesser kaum ein Sperrstrom festzustellen.

Im Durchlassbereich ist der Strom für \(U < 0,7{\rm{V}}\) nahezu Null, beim Überschreiten der Schwellenspannung von \(U = 0,7{\rm{V}}\) steigt der Strom sehr rasch an.

Germaniumdiode

Bei Polung im Sperrbereich ist ein geringer Sperrstrom im Mikroampere-Bereich festzustellen.

Im Durchlassbereich ist der Strom durch die Diode bis ca. \(0,3{\rm{V}}\) nahezu Null und steigt dann allmählich an. Eine Schwellenspannung ist nicht so eindeutig wie bei der Siliziumdiode feststellbar.

Erläutere mit Blick auf die Beobachtungen, warum bei Polung in Sperrrichtung die sogenannte "stromrichtige" Schaltung der Messgeräte geeigneter, bei Polung in Durchlassrichtung dagegen die sogenannte "spannungsrichtige" geeigneter ist.

Hat man mehrere Kennlinien aufzunehmen, so eignet sich hierfür ein Computer-Messwert-Erfassungssystem:

Das Messwert-Erfassungssystem kann nur Spannungen registrieren. Um einen Strom darzustellen, lässt man diesen durch einen Widerstand \(R\) fließen und greift am Widerstand dann eine zum Strom proportionale Spannung ab. Wählt man als Widerstandswert z.B. \(100\Omega \), so kann der Strom sehr leicht aus der Spannung berechnet werden.

Zwischen den Punkten 2 und 3 misst man die Spannung an der Diode.

Zwischen den Punkten 1 und 2 misst man eine Spannung, die zum Strom durch die Diode proportional ist.

Aus diese Weise können durch Variation der Spannung am Netzgerät schnell und bequem Kennlinien aufgenommen werden.

 

Die Elektrizitätswerke versorgen die Haushalte mit sinusförmiger Wechselspannung deren Frequenz 50 Hz ist und deren Amplitude (Maximalwert) 325 V beträgt. Für viele Geräte im Haushalt benötigt man jedoch kleinere Gleichspannungen.
Zunächst kann man mit einem geeigneten Transformator die Spannung auf einen gewünschten Wert heruntertransformieren, nach der Transformation liegt jedoch immer noch Wechselspannung vor. Mit einer Diode lässt sich nun diese Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung umwandeln.

Versuchsziel: Nachweis, dass mit einer Diode eine Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung gewandelt werden kann.

Versuchsaufbau 1:
Besonders augenfällig kann die Gleichrichterwirkung der Diode gezeigt werden, wenn man die niederfrequente Wechselspannung eines Sinusgenerators verwendet, dessen Frequenz so gering ist, dass Gleichspannungsmessinstrumente mit ihrem Zeiger der Spannungsänderung noch folgen können.
Verwendet man anstelle einer Siliziumdiode eine Leuchtdiode, so kann man am Aufleuchten der Diode sehen, wann gerade Polung in Durchlassrichtung besteht.

Versuchsaufbau 2:
Bei höheren Frequenzen der sinusförmigen Wechselspannung eignen sich die Gleichspannungsinstrumente nicht mehr für den Nachweis von Spannungen. Der Zeiger des linken Instruments würde aufgrund seiner Trägheit beim Nullpunkt stehen bleiben, der Zeiger des rechten Instruments würde dagegen einen Ausschlag zeigen (warum?).
Für die Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Spannung eignet sich bei hohen Frequenzen besser ein Oszilloskop.

Versuchsergebnis:
Nur wenn die Diode in Durchlassrichtung gepolt ist, kann im Kreis Strom fließen und nur dann fällt am Widerstand eine Spannung ab. Ist die Diode in Sperrrichtung gepolt, so fließt kein Strom und die am Widerstand R abfallende Spannung U2 ist dann Null.


Ist die Diode grün, so leitet sie. Ist sie rot, so sperrt sie.

Oszilloskopbilder

Spannung am Sinusgenerator

Spannung am Widerstand

Mit der obigen Schaltung ist es wohl gelungen eine pulsierende Gleichspannung U2 zu erzielen. Allerdings ist man vom Ideal einer Gleichspannung (im Oszilloskopbild eine Parallele zur Zeitachse) noch weit entfernt. Der pulsierende Gleichstrom fließt nur während einer Halbperiode. Mit der sogenannten Doppelweggleichrichtung kommt man diesem Ziel schon etwas näher.

Versuchsziel:
Nachweis, dass mit einer Kombination von vier Dioden (Brückengleichrichter) eine Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung gewandelt werden kann.

Versuchsaufbau 1:
Besonders augenfällig kann die Gleichrichterwirkung der Diodenschaltung gezeigt werden, wenn man die niederfrequente Wechselspannung eines Sinusgenerators verwendet, dessen Frequenz so gering ist, dass Gleichspannungsmessinstrumente mit ihrem Zeiger der Spannungsänderung noch folgen können.
Verwendet man anstelle von Siliziumdioden vier Leuchtdioden, so kann man am Aufleuchten der Dioden sehen, welche gerade in Durchlassrichtung gepolt sind.

Versuchsaufbau 2:
Bei höheren Frequenzen der sinusförmigen Wechselspannung verwendet man zur Darstellung der pulsierenden Gleichspannung ein Oszilloskop.

 

Versuchsergebnis:
Durch den Brückengleichrichter wird die sinusförmige Wechselspannung effektiver in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt als bei der Einweggleichrichtung. Bei der Doppelweggleichrichtung fließt während beider Halbperioden ein pulsierender Gleichstrom durch den Widerstand.


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Hinweise:

  • Die Schaltung stimmt mit den oben skizzierten Schaltungen überein. Nur die Position des Widerstandes wurde verändert.
  • Ist die Diode grün, so leitet sie. Ist sie rot, so sperrt sie.

Oszilloskopbilder

Spannung am Sinusgenerator

Spannung am Widerstand

 

Der abgebildete Versuch zeigt Ergebnisse, die mit dem physikalischen Grundverstand scheinbar nicht in Einklang zu bringen sind:

Zwei gleichartige Glühlampen L1 und L2 sind in Serie zu zwei Schaltern S1 und S2 geschaltet und an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen.

  • Sind beide Schalter geöffnet, so leuchtet keine der beiden Lampen.

  • Sind beide Schalter geschlossen, so leuchten beide Lampen.

Diese beiden Ergebnisse sind mit dem gesunden Menschenverstand in Einklang zu bringen.

  • Ist Schalter S1 geschlossen und Schalter S2 geöffnet, so leuchtet L1 und L2 bleibt dunkel.

  • Ist Schalter S1 geöffnet und Schalter S2 geschlossen, so bleibt L1 dunkel und L2 leuchtet.

Die beiden letzten Versuchsergebnisse kommen dir wohl etwas suspekt vor und du vermutest wohl - mit Recht - einen Trick. Bevor der Trick geklärt wird, sind die Versuchsergebnisse nochmals in einer Tabelle zusammengefasst und durch eine Animation veranschaulicht.

 

 

S: = 0 Schalter offen; S:= 1 Schalter geschlossen; L:= 0 Lampe dunkel; L: = 1 Lampe hell

  S1 S2 L1 L2
a 0 0 0 0
b 1 0 1 0
c 0 1 0 1
d 1 1 1 1