Università Roma Tre - Esperimentazioni di Fisica III a.a. 2019/20

Esperienza n.4 del …/…/...Diodo a Giunzione come Raddrizzatore

e come Trasmettitore/Ricevitore

Studenti Cognome/Nome 1 Cognome/Nome 2

Note di correzione:

NOTA:

Nella propria relazione, tutta la parte descrittiva va cancellata

Ovviamente, 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

Ricordarsi di fare, sempre, i confronti con i dati “teorici”

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Materiale usato nell’esperienza

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

Il circuito necessario a svolgere l’esercitazione verrà consegnato già montato su basetta millefori. Stesso circuito dell’esperienza precedente

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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”)

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

QuadTech - LCR Digibridge (Tabella estratta da Instruction Manual)

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OBIETTIVI DELL’ESERCITAZIONE

L’esperienza è articolata in due fasi:

1) 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.

2) Utilizzazione di LED per trasmettere/ricevere informazioni (trasmissione ottica).

PRIMA 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).

Per questa fase dell’esercitazione si utilizza la parte del circuito che contiene:

Diodo Zener; resistenza da 10 kΩ, condensatore da 10F, 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).

Il generatore di funzioni con uscita sinusoidale, con ampiezza del segnale 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.

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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 10 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 10 F100 Hz 10 F

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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.

RICORDARSI DI FARE IL CONFRONTO CON I RISULTATI ATTESI

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SECONDA 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 la 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 andar bene – non inserire il tappo da 50 , il LED e il tappo “caricherebbero troppo il generatore di funzioni e il LED potrebbe non accendersi “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

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utilizzando, come feedback, due resistenze da 100 kΩ. In queste condizioni l’amplificatore potrebbe 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.

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