TI-S2

Practicum meten aan diode, condensator en transistor

#

Introductie

Bij het voorgaande practicum met de multimeter heb je kennisgemaakt met de meter zelf en een meting gedaan met een veelgebruikte component in de elektronica, de weerstand. In dit practicum ga je eerst meten aan twee belangrijke componenten, de condensator en de diode.

Het tweede deel van dit practicum bouw je een versterkerschakeling op en ga je daar ook aan meten.

Doel van dit practicum

Opzet van het practicum

Dit practicum wordt uitgevoerd door twee studenten die samen de proef uitvoeren en ook samen dit meetrapport invullen en inleveren.

Benodigdheden voor dit practicum

De diode

Een diode is een halfgeleider die een bijzondere eigenschap heeft, hij laat stroom in één richting door. Daar kun je mooi gebruik van maken als je wisselspanning uit het lichtnet wilt gelijkrichten. Het positieve deel van de sinus laat je doorgaan, het negatieve deel van de sinus houd je tegen of stuur je de andere (goede) richting op.

Naast het gebruik van stroomsturing heeft de diode nog andere eigenschappen. Hij kan licht uitzenden (LED), licht ontvangen (fotodiode), straling uitzenden voor radar (gunn-diode), een kleine variabele capaciteit vormen (toegepast in afstemming van radio’s) of een bescherming geven tegen gevaarlijke spanningspieken (bij relais).

In schakelingen wordt de diode veel toegepast als bescherming of het sturen van de stroom in de juiste richting. Bij het gebruik is het belangrijk om de diode in de goede richting aan te sluiten.

Dit is het symbool van de diode. De + is de anode, de – is de kathode

Ezelsbruggetjes bij de diode:

Een weerstand is lineair. Een hogere spanning over de weerstand geeft een grotere stroom door de weerstand (wet van Ohm). Een diode heeft daarentegen een niet-lineaire karakteristiek. Als de stroom door de diode groter wordt neemt de spanning maar heel weinig toe.

Teken een diode-doorlaatkarakteristiek (zoek op met Google) in de onderstaande vrije ruimte. Teken de doorlaatkarakteristiek van een weerstand in dezelfde grafiek, dat is een rechte lijn. Zet daarbij Horizontaal de spanning, en vertikaal de stroom. Links-onder is het nulpunt. Bespreek met je practicumpartner wat de twee grafieken van diode en weerstand eigenlijk laten zien en probeer de verschillen onder woorden te brengen. # # # # # # # # # # # Meting aan een diode

Als je de diode-doorlaatkarakteristiek goed getekend hebt zie je dat een diode een drempelspanning heeft. Onder de drempelspanning loopt er geen stroom (de diode gedraagt zich als een heel hoge weerstand). Is de spanning groter dan de drempelspanning dat neemt de stroom sterk toe.

De conclusie is dat de spanning over een diode nagenoeg de drempelspanning is, ongeacht de stroom die er door loopt.

De drempelspanning kun je eenvoudig meten. Sluit de diode in serie met een weerstand (1 Kohm) aan op de voedingspanning. De weerstand komt op plus (rode lijn), de diode op de min of massa (blauwe lijn).

Meet de spanning over de diode (U diode), dus van massa naar het knooppunt van de weerstand en de diode. Let op, de aansluiting waar de zwarte ring op de diode zit moet op de min/massa. (als je 5 volt over de diode meet staat deze niet in doorlaat- maar in sperrichting). Doe ook een meting met een 10 K weerstand.

Merk op dat volgens de wet van Ohm er bij de 10 K weerstand een 10 keer kleinere stroom door de diode stroomt. Toch is de spanning niet veel lager. Een diode wordt ook wel voor spanningreferentie gebruikt.

#

De condensator

Een condensator is opgebouwd uit twee geleiders met een relatief grote oppervlakte, die zich dicht bij elkaar bevinden en gescheiden zijn door een materiaal dat polariseerbaar is, het diëlektricum. Wanneer de ene geleider positief geladen wordt ten opzichte van de andere, verplaatst de negatieve lading in het diëlektricum zich naar de positieve plaat en omgekeerd: positieve lading beweegt naar de andere geleider. De naam is afgeleid van het latijn condensare: samenpersen, dus condensator = samenperser, wat betrekking heeft op de ladingen die samengeperst worden bij de polen (platen) van de condensator. (bron: Wikipedia)

Opslag van energie

De condensator is een veelgebruikte component in de elektronica. Een heel belangrijke functie is (tijdelijke) opslag van energie. Daarin kun je de condensator zien als een (kleine) oplaadbare batterij.


Hierboven zie je het symbool van een condensator. Zoals je ziet is er geen directe “doorgang”

De condensator voor opslag van energie is heel belangrijke component om storingen via de voeding te voorkomen. Als een schakeling (even) veel stroom vraagt kan er een spanningsdip in de voeding ontstaan. De voeding kan het even niet bolwerken om aan de “energievraag” voldoen. De afstand van de voeding tot de schakeling is hierin belangrijk. De lengte van de voedingsdraden vormen een weerstand die (populair gezegd) een snelle toestroom van de stroom in de in de weg staat.

Variabele weerstand

De condensator wordt ook veel gebruikt als frequentie-afhankelijke weerstand. Hiermee worden voor wisselspanningen filters gemaakt die bepaalde frequentie wel of juist niet doorlaten. Bij de oscilloscoopproef heb je daar al kennis mee gemaakt of ga je daar nog mee aan het werk.

Capaciteit van een condensator

De capaciteit van condensatoren wordt uitgedrukt in de eenheid Farad. Condensatoren die voor sigaalverwerking worden toegepast zijn vaak er klein (in waarde). Voor een oscillatorschakeling wordt bijvoorbeeld een condensator van 20 pF gebruikt (een pico is 10-12 Farad). Een condensator die als batterijvervanger wordt gebruikt heeft een heel hoge capaciteit van 1 Farad.

Om een idee te krijgen van de verschillen in grootte maak je een vergelijking in volume. Als een condensator van een pico Farad een kubieke millimeter groot is, hoe groot is dan het volume van een condensator met een capaciteit van 1 Farad, uitgedrukt in een aantal m3?

Om een condensator meer capaciteit te geven en de behuizing niet te groot te laten worden er elektrolytische condensatoren gemaakt. Die hebben wel veel energie in een klein volume maar zijn polariteit gevoelig. **Dat betekent dat ze een plus- en een min aansluiting hebben**.

Meten van het laden van een condensator

Het laden en ontladen van een condensator is geen lineair verloop maar een e-macht. Als de condensator leeg is laadt hij heel snel op, hoe voller hij wordt, hoe langzamer het opladen gaat.

Laad de condensator van 470 µF op. LET OP: kijk goed wat de min-aanluiting is (grijze baan met -)!

Start de meting met het ONTLADEN van de condensator door het kortsluiten van de twee aansluitingen. Dan weet je zeker dat hij leeg is. Start vervolgens het laden van de condensator door een weerstand van 47 Kohm in serie met de condensator en de voeding te plaatsen. START op dat moment een tijdmeting en noteer de tijd in het onderstaande tekstblok met een U-condensator op 0 volt; 0,5 volt tot 4,5 volt (totaal 9 metingen).

Zet de voorgaande meting uit in onderstaande grafiek (vervang een streepje door een ander karakter). Linksonder is het nulpunt. De verticale as de spanning. De horizontale as is de tijd-as. Maak zelf een goede (evenredige) verdeling voor de tijdas. Tip: de laatste meting zet je helemaal rechts.

Een versterkerschakeling

inleiding

Het tweede deel van het practicum is het maken van een versterker met een transistor. Dat is de “Hello World” van de Electro-technici. Leuk om te maken en te zien hoe je een heel kleine stroom kunt versterken. Met een kleine stroom door je lichaam kun je en LED laten branden. Het is wel verstandig om daarvoor een versterker te gebruiken. Als je de gehele stoom van de LED door je lichaam laat lopen is het niet gezond. Daar heb je een hoge spanning voor nodig en daar heeft je hart een probleem mee.

Een transistor is een stroomversterker en bestaat uit drie aansluitingen, één stuuringang en twee aansluitingen waar de hoofdstroom doorheen loopt. Met een heel kleine basis- of stuurstroom kan een veel grotere belasting worden aangestuurd.

Symbool van de transistor

Opbouwen versterker

De basisstroom (stuurstroom) kan heel klein zijn. Voldoende om door je lichaam de LED te laten branden. De meeste studenten voelen daar naar niet veel van, slechts een enkeling kan niet goed tegen de spanning. Bij de volgende opdracht ga je deze schakeling opbouwen.

De schakeling is als volgt. Zie dat de transistor is als een schakelaar in de verbinding van de LED naar de massa. Met de transistor schakel je de stroom door de LED. De basis (B) is de stuuringang om de hoofdstoom van C naar E te sturen.

Op Sharepoint staat een afbeelding hoe de componenten op het protobordje opgebouwd moeten worden (voorbeeldtransistorversterker.jpg) .

Pak met je hand het metaal van de weerstand-draad (220K) die los is. De versterker werkt als de LED dan een beetje oplicht (je lichaam is een ontvanger voor elektromagnetische golven en geeft een beetje spanning af). Als je met je ene hand de aansluiting van de weerstand beetpakt en met de andere hand het metaal van het plus-draadje moet de LED feller oplichten. Als je harder knijpt (of je vingers een beetje vochtig maakt) moet de LED nog beter oplichten. Als de LED niet brandt heb je wellicht de LED of/en de transistor verkeerd-om aangesloten (let op de platte kant).

Bespreek met elkaar hoe het komt dat de LED feller brandt als je harder knijpt:

Je gaat nu meten hoe groot de stroom is die door je lichaam loopt en wat de versterkingsfactor is.

De transistor

De transistor is van het type BC547B. Een belangrijk gegeven van een transistor is de stroom die door de belasting kan gaan. Op Sharepoint staat een datasheet (Transistor-BC547B.pdf) met technische informatie. Open de datasheet. Hoe groot is de maximale (collector)stroom die je met deze transistor door de belasting kunt sturen?

Meten van de stroomversterking

Sluit nu de basis via een 220 Kohm weerstand direct aan op de plus van de voeding. (de LED moet dan helder oplichten)

Voor het bepalen van de stroomversterking moet je de basisstroom (klein) en de collectorstroom (groot) weten. Als je de spanning meet over de basisweerstand en de spanning meet over collectorweerstand R1 (in serie met de LED), kun je met de wet van Ohm de stroom uitrekenen:

Berekende stroomversterking:

Wellicht interessant om te weten is hoe groot de stroom door je lichaam was, die voldoende was om de LED goed te laten oplichten. Je lichaam staat in serie met de weerstand Rbbasis (220K Ohm). Meet je lichaamsweerstand met de multimeter en kies daarbij de juiste stand (1M).

Afsluiten van het practicum

Vóórdat je afsluit meld je aan de docent dat je klaar bent en geef je een demo van de versterkerschakeling. Deze kijkt dan of alles goed gegaan is.

Controleer of de groene LED het doet het doet als de spanning op het bordje staat. De groene LED met weerstand moet op het bordje blijven staan, de andere componenten haal je van het bordje af.

SCHAKEL DE MULTIMETER UIT!

This site is open source. Improve this page.