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Versuche

Aufnahme der Diodenkennlinie

Das Ziel des Versuchs

Mit diesem Versuch werden die Kennlinien von Dioden aufgenommen, also der Zusammenhang zwischen der an einer Dioden anliegenden Spannung und der Stärke des daraus resultierenden Stroms durch die Diode untersucht.

Aufbau und Durchführung

halbleiterdiode-versuchsaufbau-aufnahme-kennlinie.jpg
Abb. 1 Versuchsaufbau zur analogen Aufnahme einer Diodenkennlinie
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).Als Diode kann man z.B. eine gewöhnliche Siliziumdiode verwenden. Gerade für den Sperrbereich ist aber auch eine Germaniumdiode interessant.

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.

halbleiterdiode_schaltplan_aufnahme_diodenkennlinie.svg
Abb. 2 Schaltskizze zur Aufnahme einer Diodenkennlinie - links mit stromrichtiger und rechts spannungsrichtiger Messung

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.

Aufgabe

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.

Lösung

Die Aufnahme der Kennlinie in Sperrrichtung wird "stromrichtig" durchgeführt, d.h. der gemessene Strom ist exakt der Strom durch die Diode. Der Spannungsmesser dagegen misst nicht exakt den Spannungsabfall über der Diode, sondern den Spannungsabfall über der Serienschaltung von Diode und Strommesser.

Der Grund hierfür ist der hohe Widerstand der Diode in Sperrrichtung und die dadurch bedingte geringe Stromstärke. Würde man in Sperrrichtung "spannungsrichtig" messen, so würde man mit dem Strommesser den Strom durch den Spannungsmesser plus den Strom durch die Diode (beide haben u.U. vergleichbare hohe Widerstände) anzeigen, was zu einem größeren Fehler führen würde.

Da bei kleinen Stromstärken der Spannungsabfall am Strommesser (Innenwiderstand sehr klein) aber fast zu vernachlässigen ist, macht man bei der "stromrichtigen" Schaltung der Messgeräte bei der Spannungsmessung keinen großen Fehler.

Die Aufnahme der Kennlinie in Durchlassrichtung wird dagegen "spannungsrichtig" durchgeführt, d.h. die gemessene Spannung ist exakt der Spannungsabfall über der Diode. Der Strommesser dagegen misst nicht exakt den Strom durch die Diode, sondern den Strom durch die Parallelschaltung von Diode und Spannungsmesser.

Der Grund hierfür ist der geringe Widerstand der Diode in Durchlassrichtung und die dadurch bedingte nicht zu vernachlässigende Stromstärke. Würde man in Durchlassrichtung "stromrichtig" messen, so würde man mit dem Spannungsmesser den Spannungsabfall über dem Strommesser  plus den Spannungsabfall über der die Diode (beide haben u.U. vergleichbare geringe Widerstände) anzeigen, was zu einem größeren Fehler führen würde.

Da aber der Strom durch den Spannungsmesser (Innenwiderstand sehr groß) fast zu vernachlässigen ist, macht man bei dieser Art der "spannungsrichtigen" Schaltung der Messgeräte bei der Strommessung keinen großen Fehler.

Hinweis: Besitzt man für die Messung sehr gute Messgeräte, d.h. ein Voltmeter mit extrem hohem Innenwiderstand und ein Amperemeter mit fast vernachlässigbarem Innenwiderstand, so ist es nahezu unerheblich, ob man "stromrichtig" oder "spannungsrichtig" misst.

Einsatz eines Messwerterfassungssystems

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Abb. 4 Aufbau mit Power-CASSY und Sensor-CASSY
Insbesondere wenn du schnell mehrere Kennlinien z.B. von verschiedenen Dioden oder LEDs aufnehmen und grafisch darstellen willst, ist der Einsatz eines Messwerterfassungssystems wie CASSY sinnvoll. Die grundsätzliche Verschaltung unterscheidet sich dabei nicht vom Aufbau mit analogen Messgeräten. Auch hier müssen die über der Diode abfallende Spannung \(U\) und der durch die Diode fließende Strom \(I\) gemessen werden. Das Messwerterfassungssystem kann die Daten auch direkt in einem \(U\)-\(I\)-Diagramm darstellen.

Besonders elegant ist hier die Kombination mit einer programmierbaren Strom- bzw. Spannungsquelle (Power-CASSY). Diese wird so eingestellt, dass sie nacheinander Spannungen bspw. von \(-4\,\rm{V}\) bis \(+7\,\rm{V}\) ausgibt und dabei auch den direkt den fließenden Strom \(I\) misst. Manuelles Umpolen entfällt hierbei. Mithilfe eines Sensor-CASSYs wird gleichzeitig die über der Diode abfallende Spannung gemessen und das Ergebnis in einem Diagramm dargestellt. Durch das einzeichnen mehrerer Messreihen mit verschiedenen Dioden, könne die Kennlinien gut miteinander verglichen werden.