Video Praktikum Leuchtdiode


Länge: 90 min
0:00:40 Aufgabenstellung, Vorgehen
05:50 Diodenkennlinie
07:30 Diodengleichung
10:00 Start Electronic Explorer
11:00 Funktionsgenerator
13:30 Oszilloskop
17:40 Mathematik Funktion
19:00 xy Darstellung
23:00 Oszilloskopbild Screenshot
24:00 Diodenwerte eintragen
25:50 Messwerte aktivieren
29:00 Werte eintragen
44:50 Werte Exportieren, Excel
47:00 Diagramm erzeugen
49:00 Diagramm formatieren
50:00 Trendlinie
51:00 R
53:00 Is, n
57:00 Gleichungsspalte erstellen
47:00 Diagramm erzeugen
1:01:00 Diodenparameter ändern
1:05:00 Parameter eintragen
1:10:00 LTSPICE
1:12:00 Diode und Modell
1:13:00 Simulation .op
1:14:20 Simulation Kennlinie
1:16:00 xy Darstellung
1:18:00 Logarithmische Kennlinie
1:19:30 Diodenmodelle
1:20:00 Datenblatt
1:26:00 Drucken

Projektpraktikum: Entwurf einer Schaltung für eine Leuchtdiode

Für eine Spannung von 5 V soll eine Leuchtdiode mit 10 mA Strom betrieben werden. Ein Vorwiderstand soll den Strom auf 10 mA begrenzen.

Der ausgewählte Schaltplan für diese Anwendung wird links oben gezeigt.
Auf dem Electronic Explorer Board wird ausgehend von dem Schaltplan die Schaltung aufgebaut (Bild oben rechts). Man sieht dort verschiedene Widerstände und 3 verschiedene Dioden. Rechts ist die Leuchtdiode.
Das Electronic Explorer Board stellt die Spannungen zur Verfügung und stellt das Oszilloskop für Messungen bereit.
Als erstes bestimmt man durch Messungen der Strom-Spannungskennlinie (Bild oben 2. Reihe) die Diodenparameter (Is, n, Rs) und lernt die Bedienung des Electronic Explorers.
Dann vergleicht man die Diodenparameter mit dem Datenblatt und bestimmt durch eine Rechnung den benötigten Widerstand.
Das Rechnungsergebnis verifiziert man durch eine LTSPICE Simulation der UI Kennlinie.
Zuletzt fügt man den Widerstand in die Schaltung ein und bestätigt die korrekte Funktionsweise.
Diese Vorgehensweise soll auch auf die Teilschaltungen des Audioverstärkers angewendet werden.

1.1 Vorbereitung Diodengleichung


Die Diodengleichung lautet:
\( I_D = I_S\left(e^\frac{U_D - I_D \cdot Rs}{nU_T}-1\right) \)

\( U_T = \frac{k \cdot T}{q} \)

Die Parameter sind:
  • IS: Sättigungsstrom
  • UD: Diodenspannung
  • n: Emmisionskoeffizient 1..2
  • UT: Temperaturspannung
(T=293K, UT≈25mV)
  • k: Boltzmann-Konstante k=1,380·10-23J/K
  • T: absolute Temperatur
  • q: Elementarladung q=1,602·10-19C
  • RS: interner Dioden Serienwiderstand

1.2 Messaufbau


Es steht das Electronic Explorer Board für die Messung zur Verfügung. Die Verdrahtung ist rechts oben im Bild gezeigt und der entsprechende Schaltplan links oben. Die zu messenden Kennlinien sind darunter abgebildet. Die Bedienung des Aufbaus erfolgt mit der Steuersoftware Waveforms.
Sehen Sie sich das folgende Video an: Bedienung des Electronic Explorers
Nach dem Start des Programms erscheint die Steuerzentrale des Programms in der Sie die verschiedenen Geräte auswählen können.



Bild: (1) Steuerzentrale (2) Spannungsversorgung (3) Funktionsgenerator (4) Oszilloskop


1.3 Diodenkennlinie


XY Darstellung zur Verifikation des Messaufbaus


Abb. 1 Versuchsaufbau zur Messung der Diodenkennlinie
Verbinden Sie den 1 kOhm Widerstand mit AWG1 und der Diode.
Wählen Sie den Signalgenerator zur Erzeugung der Spannung durch Klick auf WaveGen aus. Dort wählen Sie den Signaltyp triangle (Dreieck) aus und stellen erst mal Frequenz 100 Hz, Amplitude 8V und Offset 0 V ein. Durch Klick auf Run AWG 1 wird die Spannungsquelle aktiviert.
Die Spannungsmessung erfolgt mit dem Oszilloskop mit den Kanälen 1 und 2 auf den DC Eingängen. Nach dem Start des Oszilloskops aus der Steuerzentrale aktivieren Sie das Scope durch Klicken von Run. Für ein stehendes Bild aktivieren Sie den Trigger. Die Einstellunge werden rechts neben dem 'Run/Stop' Button durchgeführt. Mode: 'Auto', Source: Channel 2, Cond.: Rising, Level: 500 mV.
Wählen Sie auf der rechten Seite eine Zeitbasis (Time) mit einer Pos 0 und Base 2 ms aus. Die Kanäle C1 und C2 werden mit einem offset 0 V und einer Amplitude 2 V aktiviert.
Durch Click auf das graue Feld unterhalb der Kanaleinstellung aktivieren Sie 'Add Mathematical Channel','Custom' die Mathematik funktion zur Berechnung des Stromes.
Als Gleichung geben Sie zur Stromberechnung (U2-U1)/R1: '(C2-C1)/1E3' ein.
Für den M1 Kanal aktivieren Sie durch Klick auf das Handsymbol die Einheit (Unit) A und stellen einen Offset 0A und eine Range 2 mA/div ein.
Durch Aktivierung von Add XY in der 2. Menüreihe können Sie eine Kennlinie darstellen.
Beim Handsymbol stellen Sie für die x-Achse, die Diodenspannung, Channel 1 ein und für die y-Achse den Diodenstrom, Math 1 ein.
Eine Diodenkennlinie sollte zu sehen sein.
Ab welcher Spannung fliesst ein Strom?
Wie groß ist der Maximalstrom?
Sie können im Oszilloskop Bild (Main time view) unter Verwendung der X: X1, X2 und Y: Y1, Y2 Cursors (links unten und rechts oben) Werte ablesen.
Fügen Sie hier einen Screenshot des Oszilloskopbildes ein.



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Einzelmesswerte zur Parameterextraktion


Wählen Sie den Signalgenerator zur Erzeugung der Spannung durch Klick auf WaveGen aus. Dort wählen Sie den Signaltyp DC (Gleichspannung aus) und stellen erst mal 2.5 V ein (Alternativ: Rechteck, Amplitude=0V, Variation des Offsets von 1V..8V). Durch Klick auf Run AWG 1 wird die Spannungsquelle aktiviert.
Die Spannungsmessung erfolgt mit dem Oszilloskop mit den Kanälen 1 und 2 auf den DC Eingängen. Nach dem Start des Oszilloskops aus der Steuerzentrale aktivieren Sie das Scope durch Klicken von Run. Wählen Sie auf der rechten Seite die Kanäle C1 und C2 aus. Im Punkt Measure aktivieren Sie für Kanal 1 und 2, Vertical den Mittelwert (Average).
Schalten Sie den Schiebschalter am Board auf On.
Jetzt können Sie mit der Messung beginnen.
Messen Sie die Durchlasskennlinie der Leuchtdioden mittels des Versuchsaufbaus nach Abb.1 im Bereich von I ≈ 0.1 µA bis I ≈ 80mA. Als Messwiderstand verwenden Sie die vorhandenen Widerstände (von links nach rechts) 100 Ohm, 1 kOhm, 10 kOhm, 100kOhm und 1 MOhm. Als Spannungsquelle verwenden Sie AWG1. Die Spannung messen Sie an der Diode mit SCOPE1 DC (UDC1) und an der Spannungsquelle mit SCOPE2 DC (UDC2). Den Strom messen Sie im Bereich von: 0.1, 0.2, 0.5, 1,2,5, … µA bis zu ca. 80mA mit Hilfe der Spannung am Widerstand R1. \[ I=\frac{ U_{DC2}-U_{DC1}}{R_1} \]
Den Widerstand R1 müssen Sie je nach Strombereich anpassen, damit eine messbare Differenzspannung zwischen 0,5..10V am Widerstand anliegt. Sie können auch die Werte in die Webapplikation eintragen: Vollrath_Elek3_Fit_Diode.html (Suche: Vollrath Kurvenanpassung Diode).

Ergänzen Sie folgende Tabelle:
Widerstand und
Messbereich		 R1=100Ω
100mA..1mA		 R1=1kΩ
10mA..100µA		 R1=10kΩ
1mA..10µA 		R1=100kΩ
100µA..1µA 		R1=1MΩ
10µA..0.1µA
AWR1 UDC2 UDC1 I UDC2 UDC1 I UDC2 UDC1 I UDC2 UDC1 I UDC2 UDC1 I
[V] [V] [V] [A] [V] [V] [A] [V] [V] [A] [V] [V] [A] [V] [V] [A]
1
2
4
8


Export Data

Die Werte erscheinen in einem Popup Fenster und am Ende dieses Dokumentes.
  1. Öffnen Sie die Exceldatei WS2012_Diode.xlsx .
    Speichern Sie die Datei in ihrem persönlichen Verzeichnis.
    Die Diodengleichung wird mit den Parametern Is und UT, n und R für den Bahnwiderstand in Durchlassrichtung ausgewertet. Machen Sie sich mit dem Aufbau der Tabelle vertraut.
    Die Werte in Spalten A und B werden vom Benutzer eingegeben.
    In Spalte C wird die Spannung nach der Diodengleichung berechnet, da ID bei Berücksichtigung des Bahnwiderstandes auch im Exponenten vorkommt:
    \( I_D = I_S\left(e^\frac{U- I_D \cdot R}{nU_T}-1\right) \)
    In Flussrichtung kann die Gleichung bei Vernachlässigung der -1 nach der Spannung U umgestellt werden.
    \( U = n U_T \ln{\frac{I_D}{I_S}} + I_D \cdot R \)
    Beobachten Sie, wie sich die Kurve durch Variation der Parameter verändert. Verwenden Sie für IS =1E-9A und 5E-9A und n=1,2,3 und Rn=0,10,100 Ω.
    Wie ändert sich die Kurve, wenn IS größer wird?

    Wie ändert sich die Kurve, wenn n größer wird?

    Wie ändert sich die Kurve, wenn Rn größer wird?

    Importieren Sie nun die gemessenen Daten nach Excel in ein neues Blatt: Export, <strg>C, Excel, <strg>V.
    Excel: Daten, Text in Spalten, Trennzeichen Semikolon ( evtl. Datenformat, weitere, Dezimaltrennzeichen .).
    Sortieren Sie die Daten nach der Diodenspannung UDC1.
    Übertragen Sie die Messdaten in das Diodenblatt in Spalte A und B.
    Tragen Sie den Flussstrom der Diode in Excel sowohl linear als auch logarithmisch über der jeweils anliegenden Spannung V (OSC1) auf. Bestimmen Sie Is und n Näherungsweise mit UT=0.025V durch Anwendung der exponentiellen Trendlinie in Excel. Berücksichtigen Sie dabei nur den Bereich der Messwerte, bei denen die Punkte in logarithmischer Auftragung auf einer Gerade liegen.
    Fügen Sie hier einen Screenshot von Excel ein.



    Remove

    Tragen Sie hier die Diodenbezeichnung ein:
    Tragen Sie hier n ein:
    Tragen Sie hier Is ein:
    Tragen Sie hier Rs ein:
  2. Bestimmen Sie die Schleusenspannungen US der Diode durch lineare Extrapolation der entsprechenden Diodenkennlinie in linearer Auftragung zu I = 0 hin.
    Tragen Sie hier US ein:

Sichern Sie ihre Ergebnisse und überlegen Sie was Sie getan haben.

1.4. Berechnung des Vorwiderstandes


Berechnen Sie den Vorwiderstand mit den gemessenen Parametern, damit bei 5 V Versorgungsspannung ein Strom von 10 mA fliesst.
Stellen Sie die Diodengleichung nach U um und berechnen ie für den Strom die Diodenpsannung. Die Restspannung muss bei dem Diodenstrom am Widerstand abfallen.

Tragen Sie hier R ein:

1.5. LTSPICE Simulation zur Verifikation von R


Bauen Sie in LTSPICE folgende Schaltung auf und simulieren Sie die Schaltung. Mit einem Rechtsklick auf die Diode können Sie den Diodentyp (MyDiode) auswählen oder als Text eingeben. Ganz oben steht der Spice Text (Menue: 'Edit', ''SPICE Directive') mit Is, Rs und n.
Setzen Sie ihre Werte ein. Achten Sie auf den Punkt als Dezimaltrennzeichen.
Passen Sie den Widerstandswert mit ihrem berechneten Wert an.


Abb:.1: LTSPICE Schaltplan zur Simulation der Diodenkennlinie.
Fliesst bei 5V ein Strom von 10 mA? Stellen Sie die Kennlinien linear und logarithmisch von 0/1nA..100mA dar. Für die logarithmische Darstellung verwenden Sie die Absolutwertfunktion: abs(). In der graphischen Darstellung der Kurven, kann man durch einen Rechtsmausklick auf die Kurvenbeschriftung über dem Diagramm eine Funktion eingeben. Fügen Sie hier einen Screenshot der Simulationsergebnisse in linearer Auftragung ein.


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Fügen Sie hier einen Screenshot der Simulationsergebnisse in logarithmischer Auftragung ein.
Stimmt die Simulation mit der Messung überein?



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1.6. Vergleich mit einem Datenblatt und LTSPICE


Klicken Sie im LTSPICE Schaltplan auf die Diode und auf 'Pick New Diode'. Suchen Sie eine Diode vom Typ LED und vergleichen Sie die gezeigten Parameter Is, n, Rs mit ihren gezeigten Parametern.
Suchen Sie im Internet nach einem Datenblatt einer Leuchtdiode und suchen Sie nach den Werten Is, n, Rs.
Messen Sie den Sperrstrom durch die Leuchtdiode mit dem 1 MOhm Widerstand bei -5V bei Tageslicht und im abgedunkelten Zustand.



Wie können Sie die durchgeführte Vorgehensweise auf die einzelnen Blöcke des Audioverstärkers übertragen?

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