Dipartimento di Matematica & Fisica - Corso di Laurea in Fisica

Esperimentazioni di Fisica III a.a. 2018-2019

Prof. Giuseppe Schirripa Spagnolo

Quarta Esperienza - Diodo a Giunzione

Esercitazione di Laboratorio Eseguita in data ………………………….

STUDENTE:…………………………………………………………………………………………………………………………………………….

STUDENTE: …………………………………………………………………………………………………………………………………………..

nota: nella propria relazione, tutta la parte relativa ai collegamenti e alla descrizione del circuito va cancellataOvviamente, quanto qui scritto serve come guida, gli studenti possono (in realtà devono) inserire il contributo personale, sia nel riportare i dati sia nei commenti e/o osservazioni

1

Un diodo Zener 1N4733A (tensione nominale Zener VZ = 5.1 V ) Resistenze: 100 Ω (due); 10 kΩ, 100 kΩ (due) Condensatori: 1 nF; 680 nF

I circuiti necessari per svolgere l’esercitazione di laboratorio verrà consegnato già montato su basetta millefori.

2

AI FINI DEL CALCOLO DELLE INCERTEZZE DI TIPO B, SI DOVREBBERO UTILIZZARE LE SEGUENTI SPECIFICHE DEGLI

STRUMENTI (IPOTIZZANDO UNA TEMPERATURA AMBIENTE DI CIRCA 22°C)

Multimetro “Fluke 77 Series IV” (tabella estratta dal manuale d’uso)

Multimetro “Multimetro Agilent 34405” (tabella estratta da “User’s and Service Guide”)

3

Oscilloscopio “Tektronix TDS2012” (tabella estratta dal service manual)

4

OBIETTIVI DELL’ESERCITAZIONE

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).

2) Determinazione della forma d’onda di un raddrizzatore “halfwave” e determinazione del “ripple” residuo al variare della frequenza dell’onda sinusoidale d’ingresso (50 Hz e 100 Hz) e del condensatore di filtraggio.

3) Utilizzazione di un LED per trasmettere informazioni.

PRIMA FASE DELL’ESERCITAZIONE

Determinarne la curva caratteristica, sia in polarizzazione inversa che in polarizzazione diretta, di un diodo Zener.

Per questa fase dell’esercitazione, così come per la successiva, si utilizza la parte del circuito che contiene:

Diodo Zener; resistenza da 10 kΩ, condensatore da 1F, condensatori da 470 nF (due posti in parallelo), spadini con possibilità di essere ponticellati.

A questa sezione del circuito si accede tramite il filo giallo/grigio, i due fili grigi e il filo nero.

Attenzione: prima di svolgere l’esercitazione, tramite il ponte Quad_Tech, misurare in valore della resistenza Rs e dei condensatori di filtraggio.

Alla resistenza si accede tramite uno dei due fili grigi (è indifferente quale usare) e il filo nero.

Se gli spadini non sono ponticellati si determina solo il valore della resistenza, se sono ponticellati si misura il valore della resistenza e del condensatore di filtraggio (a seconda di dove si posizione il ponticello si misura un condensatore o l’altro).

La curva caratteristica del diodo si ottiene lasciando gli spadini presenti sul circuito “liberi” vedi figura sotto; come vedremo in seguito, questi spadini consentono di collegare i condensatori di filtraggio.

Al diodo Zener si accede tramite due fili: grigio/rosa (ANODO); grigio (CATODO).

Alla resistenza si accede tramite due fili: grigio (ANODO) e nero (GND DIODO)

5

In questa fase dell’esperienza, lasciare gli “spadini” liberi

Per ricavare la curva caratteristica, utilizzare i seguenti circuiti.

Attenzione: i due circuiti sono “identici”, cambia soltanto la polarizzazione del generatore di tensione.

Nell’esperienza, si utilizza una resistenza RL da 10.0 kΩ.

Scopo della resistenza RL è quello consentire, in via indiretta (tramite legge di ohm) di misurare la corrente che scorre nel circuito.

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.

Poiché stiamo effettuando l’analisi del diodo in polarizzazione diretta, collegare il morsetto positivo dell’alimentatore al filo grigio/rosa (anodo del diodo) e la massa al filo nero (GND diodo).

Far crescere, molto lentamente la tensione.

Si effettuano le letture della d.d.p presente ai capi del diodo (d.d.p presente tra filo grigio/rosa e filo grigio) e quella presente ai capi della resistenza (d.d.p. presente tra filo grigio e filo nero).

Ricordare che in polarizzazione diretta, il diodo inizia a condurre in modo “significativo” soltanto dopo che la tensione presente ai sui capi raggiunge differenze di potenziale maggiori di 0.5 V.

Effettuare le misurazioni con tensioni dell’alimentatore 0 20 V. Addensare i punti di acquisizione delle misure quando la caduta di tensione ai capi del diodo è superiore a 0.45 V.

La tensione ai capi del Diodo va acquisita con il Multimetro da banco Agilent 34405 (collegare il multimetro tra filo grigio/rosa e filo grigio) mentre la caduta di tensione ai capi della resistenza va effettuata tramite il multimetro portatile Fluke 77 (collegare il multimetro tra filo grigio e filo nero).

6

La corrente che scorre nel diodo si ricava, tramite legge di Ohm, dalla d.d.p. presente ai capi della resistenza RL.

Nel svolgere l’esercitazione, compilare una tabella con i seguenti dati.

Polarizzazione Diretta

Differenza di potenziale ai capi della Resistenza [V]

σV (V) Corrente che scorre nella resistenza [mA]

Valore della resistenza di lettura: 10 kΩ ± 0,1 Ω

σi (mA) Differenza di potenziale ai capi del diodo (VAnodo - VCatodo) [V]

σV diodo (V)

Ricavare la curva ID vs VD, con il diodo polarizzato inversamente.

Collegare il generatore di tensione variabile ponendo attenzione che la sua tensione iniziale sia zero.

Poiché stiamo effettuando l’analisi del diodo in polarizzazione inversa, collegare il morsetto positivo dell’alimentatore al filo nero (GND DIODO) e la massa al filo grigio/rosa (ANODO).

Far crescere, molto lentamente la tensione.

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 5.1 V).

Effettuare le misurazioni con tensioni dell’alimentatore 0 6.5 V. Addensare i punti di acquisizione delle misure quando la caduta di tensione ai capi del diodo è inferiore a - 4.5 V.

La tensione ai capi del Diodo va acquisita con il Multimetro da banco Agilent 34405 (collegare il multimetro tra il filo grigio/rosa e il filo grigio) mentre la caduta di tensione ai capi della resistenza va effettuata tramite il multimetro portatile Fluke 77 (collegare il multimetro tra il filo grigio e il filo nero).

Stessi collegamenti effettuati per ricavare la curva in polarizzazione diretta, in questo caso, correttamente, le differenze di potenziali saranno negative anziché positive.

Nel svolgere l’esercitazione, compilare una tabella con i seguenti dati.

Polarizzazione Diretta

Differenza di potenziale ai capi della Resistenza [V]

σV (V) Corrente che scorre nella resistenza [mA]

Valore della resistenza di lettura: 10 kΩ ± 0,1 Ω

σi (mA) Differenza di potenziale ai capi del diodo (VAnodo - VCatodo) [V]

σV diodo (V)

7

Ricavate le tabelle di cui sopra (ovviamente si può compilare un’unica tabella), disegnarne il grafico ID

vs. VD

La curva caratteristica del diodo Zener sarà del tipo:

8

SECONDA FASE DELL’ESERCITAZIONE

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).

Anche per questa fase dell’esperienza si utilizza la parte del circuito che contiene:

Diodo Zener; resistenza da 10 kΩ, condensatore da 1F, condensatori da 470 nF (due posti in parallelo), spadini con possibilità di essere ponticellati.

Il generatore di funzioni con uscita sinusoidale, con ampiezza del segale d’uscita 2.5 Vpp e frequenza 50 Hz fa collegato al filo grigio/rosa (ANODO) e al filo nero (GND DIODO). La sonda dell’oscilloscopio va collegata ai capi della resistenza; filo grigio (ANODO) e filo nero(GND DIODO). E’ importante utilizzare un’ampiezza dell’onda sinusoidale “sensibilmente” inferiore alla tensione di Zener (nella realtà, questo circuito andrebbe realizzato impiegando un diodo “normale”, cioè un diodo con tensione di breakdown di centinaia di volt).

Dopo aver utilizzato un segnale da 50 Hz, ripetere le misure variando la frequenza a 100 Hz. Nella relazione mostrare le forme d’onda osservate sull’oscilloscopio.

9

Determinata la forma d’onda di un raddrizzatore “halfwave”, collegare, in parallelo alla resistenza R L

prima, un condensatore con valore dell’ordine dei 680 nF e successivamente un condensatore con valore dell’ordine dei 1 F (inserire i valori misurati con il ponte).

Questo collegamento si effettua ponendo un ponticello tra gli spiedini (vedi figura)

In entrambi i casi, determinare la forma d’onda presente ai capi della resistenza e misurarne il ripple (valore Vpp dell’ondulazione residua).

Compilare una tabella del tipo:

Frequenza onda sinusoidale Condensatore

Tensione di ripple

(ondulazione residua Vpp)

Incertezza sulla determinazione della tensione di ripple

50 Hz 680 nF100 Hz 680 nF50 Hz 1 F100 Hz 1 F

Attenzione: per valutare correttamente la tensione di ripple, l’oscilloscopio va accoppiato in ac.

Ricordare che per effettuare una misura accurata, il segnale deve essere rappresentato sull’oscilloscopio con l’ampiezza massima possibile.

Mostrare le quattro forme d’onda; le forme d’onda relative alle misurazioni riportate in tabella.

Si dovrebbero osservare delle forme d’onda simili a quella mostrata in figura.

10

TERZA FASE DELL’ESPERIENZA

CONVERTITORE CORRENTE TENSIONE (LED UTILIZZATO COME “RIVELATORE DI LUCE”)

Un LED (Diodo Emettitore di luce), se polarizzato in diretta con una tensione superiore a Vγ emette radiazione luminosa. Se pilotiamo il LED con un segnale proveniente dal generatore di funzioni, esso si accenderà e si spegnerà (anche se i nostri occhi non sono in grado di seguire questo fenomeno) in accordo con il segnale applicato.

Il LED, oltre ad essere un emettitore di luce, può essere utilizzato come “ricevitore”.

Un LED, investito da una radiazione luminosa, modifica la propria corrente di saturazione inversa. Se questa corrente viene inviata ad un opportuno convertitore corrente-tensione, è possibile ottenere una uscita che presenta lo stessa “modulazione” del segnale “contenuto” nella radiazione luminosa che lo investe (cioè la stessa caratteristica del segnale utilizzato per accendere il LED che lo illumina).

Dobbiamo ricordare che il LED è un diodo. Pertanto, un eventuale segnale che si vuole inviare al LED lo deve polarizzare positivamente; in caso contrario il LED fa da raddrizzatore (taglia il segnale che lo polarizza negativamente).

Per svolgere questa fase dell’esercitazione utilizziamo la sezione del circuito che contiene l’amplificatore operazionale e tre LED. A questa sezione del circuito si accede tramite tre boccole che servono ad alimentare l’amplificatore operazionale un filo bianco che rappresenta l’uscita dell’amplificatore operazionale, un filo nero che rappresenta la massa. Inoltre sono presento i fili per “accendere” i LED; un filo viola che è collegato i catodi dei due LED, un filo giallo collegato all’anodo del LED giallo e un filo blu collegato all’anodo del LED blu.

Consideriamo il seguente circuito elettrico:

Due LED che emettono luce “blu” e gialla si possono pilotare con un generatore di funzione. In serie al LED è inserita una resistenza di 100 Ω così da limitare la corrente che lo attraversa ed evitare eventuali rotture.

Con il generatore di funzione si pilota il LED blu in modo che si “accenda” bene (segnali con frequenza dell’ordine di 1 kHz e ampiezza dell’ordine di 3 Vpp dovrebbero bene). Fissata l’ampiezza del segnale, aggiustare l’offset, del generatore di funzione, in modo che il segnale inviato sia tutto positivo.

La luce emessa dal LED Blu è inviata su un LED verde Questa radiazione modifica la corrente di saturazione inversa, corrente letta da un convertitore corrente-tensione. Poiché la corrente di saturazione inversa è piccola è necessaria un’amplificazione di transimpedenza “alta” realizzata utilizzando, come feedback, due resistenze da 100 kΩ. In queste condizioni l’amplificatore potrebbe

11

oscillare, per limitare le possibili oscillazioni, in parallelo a una delle resistenza da 100 kΩ è stato posto un condensatore da 100 pF.

Pilotare il LED “trasmettitore con diverse forme d’onda e mostrare che tutte vengono correttamente “ricevute”.

Interrompere il fascio tra LED trasmettitore e LED ricevitore e verificare che la trasmissione del segnale s’interrompe.

Se si ripete l’esperienza utilizzando il LED giallo, si può verifica che la trasmissione dell’informazione non avviene; giustificare il perché di questo fenomeno.

Sul circuito sono presenti due test point che consentono di accendere il led verde – servono per verificare che si tratti proprio di un LED verde. Per accendere il LED verde disalimentare l’amplificatore operazionale e collegare ai test point lo stesso segnale utilizzato per accendere il LED blu e quello giallo.

Nota importante:

Molti rivelatori di particelle funzionano con lo stesso principio visto in questa esperienza. Per ottenere valori “quantitativi” è indispensabile conoscere bene la geometria del sistema (efficienza geometrica) e l’efficienza di conversione “particella” coppia elettrone-lacuna (efficienza di efficienza cattura).Queste efficienze sono, in qualche modo, calcolabili e verificabili tramite “taratura” del rilevatore.

12