FYZIKA
V-A charakteristika
polovodičové diody
Studenti změří napětí na diodě a proud
procházející diodou. Z naměřených hodnot
sestrojí voltampérovou charakteristiku.
Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace
autor: Mgr. Milan Schleider
FYZIKA
Obsah
Obsah . . . 2
Úvod . . . 3
Cíle . . . 3
Teoretická příprava (teoretický úvod) . . . 4
Motivace studentů . . . 5
Doporučený postup řešení . . . 6
Pracovní návod . . . 7
Zadání úlohy . . . 7
Pomůcky . . . 7
Bezpečnost práce . . . 8
Teoretický úvod . . . 8
Příprava úlohy (praktická příprava) . . . 8
Postup práce . . . 8
Pracovní list (řešená učitelská varianta) . . . 9
Slovníček pojmů . . . 9
Teoretická příprava úlohy . . . 10
Vizualizace naměřených dat . . . 11
Vyhodnocení naměřených dat . . . 11
Závěr . . . 11
Pracovní list (žákovská varianta) . . . 12
Slovníček pojmů . . . 12
Teoretická příprava úlohy . . . 13
Vizualizace naměřených dat . . . 14
Vyhodnocení naměřených dat . . . 15
Závěr . . . 15
3
Úvod
Časová náročnost
Jedna vyučovací hodina (45 min)
Minimální požadavky na pomůcky
Xplorer GLX, VI senzor PS – 2115,
polovodičová dioda, potenciometr,
4,5V baterie
Tip1
Velmi podobné na provedení je
měření: „ověření Ohmova zákona“
nebo „rozkladného napětí elektrolytu“
Cíle
Studenti:
•sestaví elektrický obvod
•změří napětí na diodě a proud procházející diodou v propustném a závěrném směru
•zobrazí pomocí Xploreru nebo v Datastudiu graf závislosti proudu na
napětí polovodičové diody
V-A charakteristika polovodičové diody
Studenti změří napětí na diodě a proud procházející diodou. Z naměřených hodnot sestrojí voltampérovou charakteristiku.
Fyzika
Zařazení do výuky
Pokus je vhodné zařadit v rámci
učiva Elektřina a magnetismus.
(Polovodiče)
Materiály pro učitele
4
Teoretická příprava (teoretický úvod)
Přechod PN
Přehled pomůcek
obr. 1
obr. 2
Materiály pro učitele
•Xplorer GLX
•Senzor pro měření napětí a proudu PS – 2115
•Potenciometr (většinou součást
školních souprav „Elektřina“)
•Zdroj napětí (např. 4,5V baterie)
•Diody např. barevné LED diody
•Spojovací vodiče
Přechod PN v propustném směru
obr. 3
obr. 4
Přechod PN v závěrném směru
obr. 5
V-A charakteristika polovodičové diody
Polovodičová dioda je součástka, která propouští elektrický proud v propustném směru. V závěrném směru prochází jen zanedbatelně malý elektrický proud, tzv. zbytkový, neboli závěrný proud.
Fyzika
Slovníček pojmů
POLOVODIČ TYPU P
POLOVODIČ TYPU N
PŘECHOD PN
AMPÉRMETR
VOLTMETR
POTENCIOMETR
ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO
DIODU
ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO
LED DIODU
ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO
FOTODIODU
V – A CHARAKTERISTIKA
obr. 6
5
Motivace studentů
•usměrňovač střídavého proudu (napětí)
•LED diody – slouží k signalizaci průchodu proudu, zdroj světla
•fotodioda – součást fotobuněk, sluneční články
obr. 9
Doporučený postup řešení
1.Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácímu studiu a také pracovní listy.
2.Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem, anebo budeme výsledky
zpracovávat v Datastudiu.
3.Připravíme Xplorer (případně PC s Datastudiem) a pomůcky k měření.
Příprava úlohy
Před měřením zadáme studentům k vypracování přípravnou část z pracovního listu.
Zjistíme domácí přípravu studentů, zda si vyplnili slovníček pojmů a zda
rozumí podstatě dané úlohy.
Materiály pro učitele
obr. 8
V-A charakteristika polovodičové diody
obr. 7
Fyzika
Tip2
Před tímto cvičením proveďte
stejné měření v programu Edison.
Naměřené hodnoty pak zpracujte
např. v Excelu
6
Pracovní návod k nastudování laboratorního cvičení. Manuál k Xploreru.
Pracovní list - zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin. Vyslovení závěrů.
Záznam dat
Data lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo
v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení.
Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v Datastudiu, ve
kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list.
Také můžeme připojit VI senzor přes USB link nebo Xplorer k PC a měřit
přímo v Datastudiu.
Z naměřených dat proudu a napětí přímo v Xploreru(Datastudiu) získáme graf závislosti proudu na napětí.
Syntéza a závěr
Studenti shrnou své poznatky o tom, co a jak dělali a k jakým závěrům
dospěli a své výsledky porovnají s V – A charakteristikami od výrobce
nebo s V – A charakteristikami, které lze najít např. na internetu.
Hodnocení
Sestrojili studenti správně elektrický obvod?
Získali odpovídající graf závislosti proudu na napětí v propustném a závěrném směru?
Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje
program Edison http://www.designwareinc.com/edison.htm
nebo http://www.terasoft.cz/skoly/edison
http://kdt-12.karlov.mff.cuni.cz/uloha-va-charakteristika-fotodiody-ovladani.php
http://fyzmatik.pise.cz/
http://cs.wikipedia.org/wiki/Polovodi%C4%8Dov%C3%A1_dioda
http://www.pasco.com/prodCatalog/PS/PS-2115_pasport-voltage-current-sensor/index.cfm
Materiály pro učitele
Analýza dat
V-A charakteristika polovodičové diody
Materiály pro studenty
Fyzika
Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a rozdělíme studenty do pracovních skupin.
FYZIKA
V-A charakteristika polovodičové diody
Pracovní návod
Zadání úlohy
1) Sestroj elektrický obvod podle schématu (dioda v závěrném a propustném směru).
2) Potenciometrem zvyšuj napětí na diodě a pomocí senzoru PS – 2115 a Xploreru zaznamenej hodnoty
proudu a napětí.
3) Sestroj graf V – A charakteristiky.
Pomůcky
•Xplorer GLX
obr. 10
•Senzor pro měření napětí a proudu PS – 2115 (obr. 10)
•Potenciometr (většinou součást školních souprav „Elektřina“) (obr. 11)
•Zdroj napětí (např. 4,5V baterie)
•Diody např. barevné LED diody (obr. 12)
•Spojovací vodiče
obr. 11
Bezpečnost práce
Dodržuj pracovní návod, laboratorní řád učebny fyziky a pokyny vyučujícího.
Pracujeme s bezpečným napětím max. do 24 V.
Před zapojením ke zdroji napětí si nech obvod zkontrolovat vyučujícím.
Teoretický úvod
obr. 12
Dioda propouští elektrický proud v propustném směru. V závěrném směru prochází velmi malý, tzv. závěrný proud. Tohoto jevu lze využít při usměrňování střídavého elektrického proudu na stejnosměrný.
8
Před příchodem do laboratoře se seznam s teorií a vyplň teoretickou část pracovního listu.
Nastavení HW a SW
Viz manuál k Xploreru
Vlastní měření (záznam dat)
Zapojíme obvod dle schématu.
V-A charakteristika polovodičové diody
Postup práce
Fyzika
Příprava úlohy (praktická příprava)
Pracovní návod
obr. 13
Potenciometrem postupně zvyšujeme napětí a zaznamenáváme graf závislosti proudu na napětí v propustném a v závěrném směru.
Měření opakujeme pro různé diody.
Získané grafy vložíme do protokolu (pracovního sešitu) a pokusíme se analyzovat získanou V – A charakteristiku polovodičové diody.
Uložení naměřených dat
V hlavním menu vybereme položku Data Files a následně tlačítkem F2 uložíme naměřená data. Pak soubor
s daty překopírujeme na flash disk.
Analýza naměřených dat
Všimneme si, jak veliký proud I prochází při napětí U v propustném a při stejné hodnotě napětí v závěrném
směru.
FYZIKA
V-A charakteristika polovodičové diody
Pracovní list (řešená učitelská varianta)
Slovníček pojmů
S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy:
•POLOVODIČ TYPU P
Polovodič s děrovou vodivostí. Vodivost je způsobena uspořádaným pohybem kladných neboli pozitivních (P) děr.
•POLOVODIČ TYPU N
Polovodič s elektronovou vodivostí. Vodivost je způsobena uspořádaným pohybem záporných neboli
negativních (N) elektronů.
•PŘECHOD PN
Oblast styku obou polovodičů.
•AMPÉRMETR
Slouží k měření elektrického proudu. Do obvodu se ampérmetr zapojuje sériově.
•VOLTMETR
Slouží k měření napětí. Voltmetr zapojujeme paralelně.
•POTENCIOMETR
Neboli dělič napětí. Princip jejich činnosti spočívá na využití úbytku napětí. Toho využijeme při regulaci
napětí na diodě.
•ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO DIODU
10
•V – A CHARAKTERISTIKA POLOVODIČOVÉ DIODY
Závislost (nejčastěji graficky vyjádřená) proudu na napětí - tzv. charakteristika polovodičové diody, neboli voltampérová charakteristika.
1) Doplň tabulku:
fyzikální veličina
elektrický proud
elektrické napětí
elektrický odpor
elektrická vodivost
značka
I
U
R
G
jednotka
A
V
Ω
Ω-1
2) Zakresli schéma, ve kterém bude dioda, zdroj napětí, ampérmetr, voltmetr a potenciometr, kterým budete plynule zvyšovat nebo snižovat napětí na diodě. Využij následujícího obrázku:
Možné řešení:
Pracovní list (řešená učitelská varianta)
Teoretická příprava úlohy
V-A charakteristika polovodičové diody
•ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO FOTODIODU
Fyzika
•ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO LED DIODU
11
Vyhodnocení naměřených dat
Pozn. 1:
Pro lepší měření V-A charakteristiky diodu zapojíme bez
předřadného odporu. Musíme ovšem dát pozor, abychom diodu nezničili.
Závěr
Měřením proudu procházejícím diodou při plynulém zvyšování (snižování) napětí na diodě, jsme zjistili závislost proudu na napětí. Z těchto naměřených hodnot jsme sestrojili voltampérovou charakteristiku polovodičové diody.
Polovodičová dioda má dnes mnohé využití:
• usměrnění střídavého proudu
• svítící LED dioda (kontrolka, zdroj světla s malou spotřebou energie)
• fotodioda (součást čidel – fotobuňka)
• fotovoltaické články
Pracovní list (řešená učitelská varianta)
Jak můžeme vyčíst ze získaných závislostí při
napětí 3,8 V v propustném směru prochází
diodou proud 0,01 A. Zatímco při stejném
napětí v závěrném směru je proud téměř nulový
(I = 0,00 A)
V-A charakteristika polovodičové diody
Zvyšujeme napětí na diodě v propustném a závěrném směru. Z naměřených hodnot proudu a napětí sestrojíme graf závislosti proudu na napětí neboli voltampérovou charakteristiku.
Fyzika
Vizualizace naměřených dat
FYZIKA
V-A charakteristika polovodičové diody
Pracovní list (žákovská varianta)
Slovníček pojmů
S využitím dostupných zdrojů vysvětli následující pojmy:
•POLOVODIČ TYPU P
•POLOVODIČ TYPU N
•PŘECHOD PN
•AMPÉRMETR
•VOLTMETR
•POTENCIOMETR
•ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO DIODU
13
•ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO LED DIODU
Fyzika
•ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO FOTODIODU
V-A charakteristika polovodičové diody
•V – A CHARAKTERISTIKA POLOVODIČOVÉ DIODY (slovně)
Teoretická příprava úlohy
1) Doplň tabulku:
značka
jednotka
2) Podle elektrického obvodu ve cvičení (viz také fotografie)
zakresli schéma, ve kterém bude dioda, zdroj napětí, ampérmetr, voltmetr a potenciometr, kterým budeš plynule
zvyšovat nebo snižovat napětí na diodě.
Zakresli elektrický obvod:
Pracovní list (žákovská varianta)
fyzikální veličina
elektrický proud
elektrické napětí
elektrický odpor
elektrická vodivost
14
Zvyšujeme napětí na diodě v propustném a závěrném směru. Z naměřených hodnot proudu a napětí sestrojíme graf závislosti proudu na napětí neboli voltampérovou charakteristiku.
vlož graf V – A charakteristiku polovodičové diody v obou směrech
vlož graf V – A charakteristiku polovodičové diody v propustném směru
Pracovní list (žákovská varianta)
vlož graf V – A charakteristiku polovodičové diody v závěrném směru
V-A charakteristika polovodičové diody
Pozn. 2:
Změna zapojení z propustného na závěrný směr se dá provést jednoduše změnou polarity zdroje.
Fyzika
Vizualizace naměřených dat
15
(zejména si všimni, jaký proud prochází při stejném napětí v propustném a v závěrném směru)
Fyzika
Vyhodnocení naměřených dat
V-A charakteristika polovodičové diody
(zapiš, co a jak jste dělali a k čemu jste došli. Zapiš, kde se využívá polovodičová dioda)
Pracovní list (žákovská varianta)
Závěr
Download

V-A charakteristika polovodičové diody