V-A charakteristika polovodičové diody

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


• 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


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.


obr. 8


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


Analýza dat


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.


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


• 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)


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 (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


vlož graf V – A charakteristiku polovodičové diody v závěrném směru


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


(zapiš, co a jak jste dělali a k čemu jste došli. Zapiš, kde se využívá polovodičová dioda)


Závěr

V-A charakteristika polovodičové diody

Recommend Documents