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Kennlinien aufnehmen

SchulversuchElektrizitätslehreKlasse 8Standard

Worum geht es?

Trägt man für ein Bauteil die II über der UU auf, entsteht seine Kennlinie. Sie zeigt auf einen Blick, wie das Bauteil auf Spannung reagiert: gehorsam linear (Widerstand), gekrümmt (Glühlampe) oder mit Ventilverhalten (Diode und LED). Die Messschaltung ist immer dieselbe; nur der Prüfling wechselt.

Warum macht man dieses Experiment?

Reale Schaltungen bestehen längst nicht nur aus : In jedem Netzteil arbeiten Dioden, in jeder Anzeige LEDs. Für solche Bauteile gibt es keinen festen Widerstandswert, den man nachschlagen könnte; ihr Verhalten steckt vollständig in der Kennlinie. Wer Kennlinien aufnehmen und lesen kann, kann jedes unbekannte Zweipol-Bauteil charakterisieren und versteht nebenbei, warum eine LED nie ohne Vorwiderstand betrieben werden darf.

Die physikalische Idee

Die wird in kleinen Schritten erhöht und die jeweils gemessen: Jede Einstellung liefert einen Punkt der Kennlinie. Bei Bauteilen mit steilem Anstieg (Diode, LED) müssen die Schritte im steilen Bereich besonders fein sein, sonst springt die Kurve. Die Deutung folgt aus der Form: konstanter Quotient U/IU/I heißt ohmsch, wachsender Quotient heißt zunehmende Hemmung, ein Knick heißt Schwellenverhalten.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Kennlinien sind das Standardwerkzeug der Elektronik seit den ersten Vakuumröhren um 1900: Datenblätter jedes Halbleiterbauteils enthalten bis heute genau die Diagramme, die in diesem Versuch von Hand entstehen.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Kennlinie einer Diode

Nimm die Kennlinie einer Silizium-Diode in Durchlass- und Sperrrichtung auf. Kernbefunde: das Ventilverhalten und die Schwellenspannung von etwa 0,7 V0{,}7\ \mathrm{V}.

Gemessen

  • — Spannung an der Diode (in )

    Im steilen Bereich in besonders feinen Schritten einzustellen.

  • — Stromstärke (in )

    Zeigt das Ventilverhalten: praktisch null in Sperrrichtung, steiler Anstieg oberhalb der Schwelle.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Nimm die Kennlinie einer Silizium-Diode auf: in Durchlassrichtung von 00 bis etwa 0,75 V0{,}75\ \mathrm{V} (feine Schritte!), anschließend in Sperrrichtung bis einige Volt. Bestimme die Schwellenspannung.

2Vorbetrachtung

Die Diode ist ein Halbleiterbauteil mit pn-Übergang. An der Grenzschicht zwischen n- und p-dotiertem Bereich bildet sich eine ladungsträgerarme Zone. In Sperrrichtung verbreitert die äußere diese Zone: Es fließt praktisch kein Strom. In Durchlassrichtung baut die Spannung die Zone ab; das gelingt erst, wenn die Spannung die innere Grenzschichtspannung überwindet, bei Silizium etwa 0,60{,}6 bis 0,7 V0{,}7\ \mathrm{V}. Erwartung also: null Strom in Sperrrichtung, ein Knick um 0,7 V0{,}7\ \mathrm{V} in Durchlassrichtung, darüber steiler Anstieg.

Dieselbe Diode, zwei AnschlussrichtungenDurchlassrichtungpn+−Grenzschicht schmalStrom fließtSperrrichtungpn−+Grenzschicht breitkein StromDie Diode kennt keine Richtung, die Grenzschicht ändert sich

Der pn-Übergang in beiden Polungen: In Durchlassrichtung wird die Grenzschicht schmal und leitfähig, in Sperrrichtung breit und isolierend. Die Kennlinie ist das messbare Abbild dieses Verhaltens.

3Geräte / Stoffe

Messschaltung mit Diode und Schutzwiderstand in Reihe. Das Voltmeter misst direkt an der Diode (nicht über der Reihenschaltung), sonst enthält die Kennlinie den Schutzwiderstand mit.

  • Regelbares Netzgerät (Gleichspannung, fein einstellbar)

    Liefert die schrittweise veränderte .

  • Prüflinge: Festwiderstand 100 Ω, Glühlampe 6 V, Si-Diode, rote LED

    Die vier Bauteile, deren Kennlinien verglichen werden.

  • Schutzwiderstand (z. B. 100 Ω)

    Begrenzt den Strom durch Diode und LED im steilen Kennlinienbereich.

  • Amperemeter und Voltmeter

    Messen Strom durch den Prüfling und am Prüfling.

  • Schutzwiderstand 100 Ω in Reihe

    Begrenzt den Strom oberhalb der Schwelle; ohne ihn zerstört die steile Kennlinie das Bauteil.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Schaltplan mit Diodensymbol (Pfeil = Durchlassrichtung des konventionellen Stroms) und Schutzwiderstand. Für die Sperrmessung wird die Diode im Plan umgedreht eingezeichnet.

Zwei Kennlinien, die keine Geraden sindGlühlampeUIheißer Draht, größerer RDiodeUI0,7 Verst ab der SchwelleU = R · I gilt für ohmsche Leiter, nicht für alles

Zwei nichtlineare Kennlinien im Vergleich zur Geraden des ohmschen Widerstands: Die Glühlampe flacht ab (ihr Widerstand wächst mit der ), die Diode sperrt erst und leitet dann steil.

Messschaltung wie bei der U-I-Methode: regelbare Gleichspannungsquelle, Amperemeter in Reihe, Voltmeter parallel zum Prüfling. Der Prüfling sitzt in einer Steckfassung und wird zwischen den Zielsetzungen getauscht. Für Diode und LED kommt ein Schutzwiderstand in Reihe dazu.

5Durchführung

Schritt 1: Durchlassrichtung: an der Diode in Schritten von 0,1 V0{,}1\ \mathrm{V} erhöhen, ab 0,5 V0{,}5\ \mathrm{V} in Schritten von 0,05 V0{,}05\ \mathrm{V}. Je Schritt UU und II notieren.

Schritt 2: Quelle auf null, Diode umpolen.

Schritt 3: Sperrrichtung: Spannung bis einige Volt erhöhen, Strom beobachten.

6Beobachtung

Kennlinie der Si-Diode (Durchlassrichtung)
UU in V\mathrm{V}II in mA\mathrm{mA}
0,300,0
0,501,0
0,608,0
0,6530
0,7080

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

In Sperrrichtung zeigt das Amperemeter bis mehrere Volt keinen messbaren Strom (unter 0,1 mA0{,}1\ \mathrm{mA}).

7Auswertung

Ventilverhalten bestätigt: In Sperrrichtung fließt kein messbarer Strom, in Durchlassrichtung erst ab der Schwelle. Zwischen 0,60{,}6 und 0,7 V0{,}7\ \mathrm{V} wächst der Strom von 88 auf 80 mA80\ \mathrm{mA}, das Zehnfache bei nur 0,1 V0{,}1\ \mathrm{V} mehr. Von einem „Widerstand der Diode“ zu sprechen ist offensichtlich sinnlos: Der Quotient U/IU/I fällt in diesem kleinen Intervall um fast eine Zehnerpotenz.

Schwellenspannung: Als praktischer Kennwert wird die angegeben, ab der der Strom merklich einsetzt: hier etwa 0,60{,}6 bis 0,7 V0{,}7\ \mathrm{V}, typisch für Silizium. Sie ist kein scharfer Schaltpunkt, sondern der Bereich, in dem die Kennlinie steil wird.

Konsequenz für Schaltungen: Wegen des steilen Anstiegs legt nie die Diode selbst ihren Strom fest, sondern immer der übrige Kreis (hier der Schutzwiderstand). Das ist die Grundlage der Vorwiderstandsrechnung in Zielsetzung D.

8Fazit

Die Diode ist ein spannungsgesteuertes Ventil: sperrend unterhalb von etwa 0,6 V0{,}6\ \mathrm{V} und in Gegenrichtung, steil leitend darüber. Ihre Kennlinie ersetzt den nicht existierenden festen .

9Fehlerbetrachtung

Der steile Kennlinienast stellt eigene Anforderungen an die Messtechnik:

Eigenerwärmung der Diodeeher systematisch

Ursache

Im steilen Bereich setzt die Diode spürbar um; die Schwellenspannung von sinkt mit steigender .

Auswirkung

Bei langem Betrieb wandert die Kennlinie leicht nach links: scheinbar sinkende Schwelle.

Verbesserung

Messpunkte zügig aufnehmen, große Ströme nur kurz fließen lassen.

Falsche Voltmeterpositioneher systematisch

Ursache

Wird die über Diode UND Schutzwiderstand gemessen, steckt der Spannungsabfall des Widerstands mit im Messwert.

Auswirkung

Die Kennlinie erscheint stark nach rechts verzerrt und viel flacher; die Schwelle wirkt verschmiert.

Verbesserung

Voltmeter direkt an die Diodenanschlüsse klemmen.

Messbereichswechsel im steilen Asteher zufällig

Ursache

Zwischen 1 mA und 80 mA sind mehrere Messbereiche nötig; jeder Bereich hat leicht andere Genauigkeit.

Auswirkung

Kleine Sprünge zwischen Kurvenabschnitten, die nicht vom Bauteil stammen.

Verbesserung

Bereichswechsel notieren; überlappende Kontrollmessung im alten und neuen Bereich.

Das Wichtigste

Kennlinie

Das II-UU-Diagramm eines Bauteils. Die Messschaltung ist immer dieselbe; die Kurvenform charakterisiert das Bauteil.

Vier Formen

Widerstand: Ursprungsgerade. Glühlampe: abflachende Kurve (Widerstand wächst mit der Fadentemperatur). Diode/LED: Ventil mit Schwellenspannung, darunter sperrend, darüber steil leitend.

Kein fester R-Wert

Für nichtlineare Bauteile gibt es keinen konstanten Widerstand: Der Quotient U/IU/I hängt vom Arbeitspunkt ab.

Vorwiderstand

LEDs brauchen immer einen strombegrenzenden : RV=(UQuelle−ULED)/ILEDR_V = (U_\mathrm{Quelle} - U_\mathrm{LED})/I_\mathrm{LED}.

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