Dipartimento di Matematica & Fisica
Corso di Laurea in Fisica
Esperimentazioni di Fisica III a.a. 2016-2017
Prof. Giuseppe Schirripa Spagnolo
Prima Esperienza “Diodo a giunzione”
Eseguita in data ………………………….
STUDENTE:…………………………………………………………………………………………………………………………………………….
STUDENTE: …………………………………………………………………………………………………………………………………………..
Note:
1
Per l’esperienza gli studenti utilizzeranno:
Un diodo Zener 1N5340B (tensione nominale Zener VZ = 6 V )
Una resistenza di potenza da 330 Ω (usata come riscaldatore)
Un sensore di temperatura AD590 (uscita 1 μA/K)
Un diodo 1N4007
Resistenze: 100 Ω ; 1 kΩ (già montata in serie ad AD590 – resistenza di lettura); 100 kΩ
Condensatori: 100 nF; 680 nF
ATTENZIONE!
Per tutte le misurazione effettuate durante l’esperienza
bisogna effettuare una corretta valutazione delle incertezze.
2
Esercitazione di Laboratorio: Diodo a Giunzione
L’esperienza è articolata in tre fasi:
1) Determinazione della curva caratteristica di un diodo Zener sia in polarizzazione diretta (normale
curva del diodo) sia in polarizzazione inversa (individuazione della scarica di breakdown). Questa fase
dell’esperienza va fatta a temperatura ambiente. Terminata questa fase, la resistenza di potenza verrà
collegata ad un generatore di tensione variabile, si applicheranno circa 15 V. La potenza, dissipata per
effetto Joule, scalderà la resistenza e i componenti su essa posizionati. Nell’attesa che la resistenza di
potenza e il diodo raggiungano la temperatura di equilibrio, gli studenti si dedicheranno alla seconda
fase dell’esperimento.
2) (a) Determinazione della forma d’onda di un raddrizzatore “halfwave”; (b) determinazione del
“ripple” residuo al variare della frequenza dell’onda (50 Hz → 100 Hz) e del condensatore di filtraggio
(verranno utilizzate due differenti valori di capacità; 100 nF e 680 nF).
3) Ripetere la fase (1) con il diodo Zener a temperatura diversa da quella ambiente.
3
PRIMA FASE DELL’ESPERIENZA
Avendo a disposizione un diodo Zener 1N5340B (tensione nominale Zener VZ = 6 V ), determinarne la
curva caratteristica, sia in polarizzazione inversa che in polarizzazione diretta.
Al fine di consentire l’espletamento, anche della terza fase dell’esperienza, il Diodo Zener è montato
sopra una resistenza di potenza da 330 Ω. Sulla resistenza di potenza è stato, anche, posto un sensore di
temperatura AD590.
Il sensore AD590, alimentato a tensione compresa tra 4-30 V, fornisce in uscita 1 μA per kelvin. Tale
corrente, nel nostro caso, viene fatta scorrere in una resistenza da 1 kΩ (già montata in serie al sensore.
Pertanto, ai capi della resistenza vi sarà una differenza di potenziale che in mV rappresenta i kelvin a cui
si trova il sensore. Sensore, resistenza di potenza e diodo Zener sono in contatto termico; possiamo
assumere che si trovino alla stessa temperatura.
Il circuito, relativo alla resistenza di potenza, è il seguente:
Prima di iniziare l’esperienza, misurare la temperatura “ambiente”; la temperatura a cui si trova la
resistenza di potenza (e di conseguenza anche il diodo Zener) quando in essa non scorre corrente.
Al diodo Zener si accede tramite due fili: filo grigio ANODO; filo grigio/rosa CATODO.
Per ricavare la curva caratteristica, utilizzare il seguente circuito:
4
Nell’esperimento, si utilizzi una resistenza RS dell’ordine di 100 Ω (50 Ω < RS < 150 Ω).
Scopo della RS è quello di limitare la quantità di corrente che può passare nel circuito, onde evitare
problemi di rotture (sovraccarichi) ed inoltre consente, in via indiretta (tramite legge di ohm) di misurare
la corrente che scorre nel circuito. Poiché la resistenza, diventa un elemento essenziale delle misure,
prima di iniziare l’esperienza, misurare tramite ohmetro il valore “reale” della resistenza.
Determinare la curva caratteristica con il diodo polarizzato direttamente (VAnodo > VCatodo).
Nota: Ovviamente, non c’è nessun problema a iniziare determinando la curva caratteristica con il diodo polarizzato inversamente.
Collegare il generatore di tensione variabile ponendo attenzione che la sua tensione iniziale sia zero.
Far crescere, molto lentamente la tensione. Con differenti tensioni “lette” sulla resistenza (differenti
correnti che circolano nel circuito) tracciare il grafico ID vs VD.
Porre attenzione alla tensione d’uscita del generatore; la caduta di tensione sulla resistenza RS è bene
che sia sempre inferiore a 5 V. In caso contrario, la potenza dissipata su tale resistenza potrebbe essere
troppa (riscaldamento eccessivo della resistenza e sua possibile rottura).
Nel compiere l’esperienza, compilare la seguente tabella.
Polarizzazione Diretta - Temperatura alla quale vengono rilevate le misure: 300,1 ± 0,1 K
Differenza di
potenziale ai
capi della
Resistenza [V]
σV (V)
Corrente che
scorre nella
resistenza [mA]
σi (mA)
Differenza di potenziale ai capi
del diodo (VAnodo - VCatodo) [V]
σV diodo (V)
Valore della
resistenza di lettura:
99,5 Ω ± 0,1 Ω
0,079
0,239
0,350
0,884
1,486
1,932
2,328
2,689
2,895
3,065
3,274
3,860
3,963
4,238
4,694
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,80
2,41
3,53
8,89
14,93
19,41
23,40
27,03
29,10
30,81
32,91
38,80
39,83
42,59
47,18
0,12
0,12
0,12
0,14
0,17
0,20
0,23
0,25
0,27
0,28
0,30
0,34
0,35
0,37
0,40
0,627
0,652
0,671
0,691
0,707
0,709
0,714
0,719
0,722
0,723
0,728
0,729
0,730
0,732
0,735
Esempio di tabella, volutamente, non
necessariamente corretta
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
Ricordare che in polarizzazione diretta, il diodo inizia a condurre in modo “significativo” soltanto dopo
che la tensione presente ai sui capi (quindi anche quella del generatore) raggiunge differenze di
potenziale maggiori di 0.5 V.
Ricavata la tabella di cui sopra, disegnarne il grafico ID vs. VD per il Diodo in polarizzazione
diretta.
5
Polarizzazione diretta
16.00000
Corrente (mA)
14.00000
12.00000
Esempio di grafico,
volutamente,
8.00000
6.00000 non necessariamente corretto
10.00000
4.00000
2.00000
0.00000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Tensione (mV)
Tracciata la curva caratteristica del diodo in polarizzazione diretta, invertire la polarità del generatore;
anche in questo caso, porre attenzione che la tensione d’uscita del generatore sia zero.
Ricavare la curva ID vs VD, con il diodo polarizzato inversamente.
Ricordare che la corrente che circola nel circuito sarà “estremamente bassa”, fin tanto che ai capi del
diodo non c’è una differenza di potenziale uguale alla tensione di Zener (nel nostro caso circa 6 V).
Anche in questo caso, compilare la seguente tabella.
Polarizzazione Inversa - Temperatura alla quale vengono rilevate le misure: 299,9 ± 0,1 K
Differenza di
potenziale ai
capi della
Resistenza [V]
0,0000005
0,000001
0,000036
0,00026
0,00085
0,0011
0,0027
0,0053
0,0092
0,024
0,100
0,577
1,769
σV (V)
Corrente che scorre
nella resistenza [mA]
σi (mA)
Valore della resistenza di
lettura: 99,5 Ω ± 0,1 Ω
0,0000006
0,000006
0,000006
0,00006
0,00006
0,0006
0,0006
0,0006
0,0006
0,006
0,006
0,006
0,006
-0,00005
-0,00010
-0,00036
-0,00262
-0,00860
-0,01111
-0,01766
-0,04589
-0,09055
-0,24030
-1,00804
-5,79899
-17,77889
Differenza di potenziale ai
capi del diodo
σV diodo (V)
(VAnodo - VCatodo) [V]
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
-3,264
-3,902
-4,226
-4,885
-5,251
-5,334
-5,469
-5,687
-5,798
-5,895
-5,916
-5,924
-5,933
Esempio di tabella, volutamente, non
necessariamente corretta
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
0,006
6
Ricavata la tabella di cui sopra, disegnarne il grafico ID vs. VD per il Diodo in polarizzazione
inversa.
Polarizzazione inversa
Corrente (mA)
-7000
-6000
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
-2.00000 0
Esempio di grafico,
volutamente,
non necessariamente corretto
-7.00000
-12.00000
-17.00000
Tensione (mV)
-22.00000
Ricavata la curva caratteristica del diodo, sia in polarizzazione diretta sia in polarizzazione inversa,
applicare alla resistenza di potenza una tensione di circa 15 V.
Per consentire al sistema resistenza di potenza, sensore di temperatura, diodo, di assumere la stessa
temperatura, lasciando collegata al generatore di tensione la resistenza di potenza, si effettua la
seconda fase dell’esperienza.
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SECONDA FASE DELL’ESPERIENZA
a) Determinazione della forma d’onda di un raddrizzatore “halfwave”
b) Determinazione del “ripple” residuo al variare della frequenza dell’onda (50 Hz → 100 Hz) e
del condensatore di filtraggio (verranno utilizzati due differenti valori della capacità).
Per questa fase dell’esperienza, si utilizza un diodo 1N4007, una resistenza RL dell’ordine dei 100 kΩ e un
generatore di funzioni con uscita sinusoidale. L’uscita dovrà essere “aggiustata” in modo che il segnale
abbia una frequenza di 50 Hz ed un’ampiezza picco-picco superiore a 3 V.
Dopo aver utilizzato un segnale da 50 Hz, ripetere le misure con segnale a 100 Hz.
Il diodo e la resistenza verranno montati sulla breadboard. Il segnale d’ingresso (quello del generatore di
funzioni) e quello prelevato ai capi della resistenza, verranno visualizzati sui due canali dell’oscilloscopio.
In questo modo sarà possibile verificare, sperimentalmente, il funzionamento del diodo come “valvola”
senza ritorno”. Nel disegno sotto è riportato anche il condensatore CL , questo condensatore va inserito
successivamente.
Verificato il funzionamento come “valvola senza ritorno” del diodo, collegare, in parallelo alla resistenza
RL prima, un condensatore con valore dell’ordine dei 100 nF e successivamente un condensatore con
valore dell’ordine dei 680 nF. In entrambi i casi, determinare la forma d’onda presente ai capi della
8
resistenza e misurarne il ripple. Si dovrebbero osservare delle forme d’onda simili a quelle mostrate
nelle figure seguenti.
Determinazione del ripple:
Vin = ……………. V picco- picco;
Frequenza segnale ……...…. Hz
RL = ………..…… kΩ
CL = ……….…….. nF
Ripple = …………..…. V picco-picco
**************************
Vin = ……………. V picco- picco;
Frequenza segnale ……...…. Hz
RL = ………..…… kΩ
CL = ……….…….. nF
Ripple = …………..…. V picco-picco
Attenzione: per tutte le misurazioni considerare la corretta valutazione dell’incertezza.
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Terminata la seconda fase dell’esperienza, la resistenza di potenza, il sensore di temperatura, e il diodo
Zener, dovrebbero aver raggiunto una temperatura differente da quella ambiente (leggere la nuova
temperatura tramite il sensore AD590).
A questo punto, con questa nuova temperatura, ripetere la fase uno.
Attenzione lasciare inserita l’alimentazione alla resistenza di potenza. Se si stacca l’alimentazione alla
resistenza riscaldante, essa si raffredda e non si ottiene una temperatura “differente” da quella della
fase uno.
Polarizzazione Diretta - Temperatura alla quale vengono rilevate le misure: ……………..….. K
Differenza di potenziale ai
capi della Resistenza [mV]
Corrente che scorre nella resistenza [mA]
Valore della resistenza di lettura: ….………... Ω
Differenza di potenziale ai capi
del diodo (VAnodo - VCatodo) [mV]
Polarizzazione inversa - Temperatura alla quale vengono rilevate le misure: ……………..….. K
Differenza di potenziale ai
capi della Resistenza [mV]
Corrente che scorre nella resistenza [mA]
Valore della resistenza di lettura: ….………... Ω
Differenza di potenziale ai capi
del diodo (VAnodo - VCatodo) [mV]
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Corrente (mA)
A questo punto si possono confrontare i grafici ID vs. VD (sia per il diodo in polarizzazione diretta sia per il
diodo in polarizzazione inversa) per tutte e due le temperature.
Polarizzazione
diretta
Esempio
di grafico, volutamente,
non necessariamente corretto
16
14
12
10
8
6
4
2
0
T=298,6 k
T=313 k
0
200
400
600
800
Tensione (mV)
Polarizzazione inversa
Corrente (mA)
-8000
Esempio di grafico, volutamente,
-2 0
non
necessariamente
-6000
-4000
-2000 corretto
-7
-12
T=298,6 k
T=313 k
-17
-22
Tensione (mV)
Esempi di considerazioni finali
Osservando i grafici, si può notare nella polarizzazione diretta una variazione maggiore rispetto
alla polarizzazione inversa.
Dalle previsioni teoriche ci si aspetta che la tensione sul diodo diminuisce di ??? per kelvin. La
differenza tra le due temperature a cui sono state effettuate le misure è di ???. Dunque si
dovrebbe osservare una variazione della d.d.p. di circa:
???
Quindi si può affermare che i risultati ............... con la teoria.
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