Optoelektroniske enheder

Dive Footage of the Vostok-Europe Anchar in Action (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Optoelektroniske enheder

Diskrete halvleder enheder og kredsløb


Spørgsmål 1

I dette kredsløb skal elmotoren tænde, når cadmiumsulfidfotocellen er mørkret:

Desværre nægter motoren at tænde, uanset hvor lidt lys der rammer fotocellen. I et forsøg på fejlfinding af kredsløbet måler en tekniker spændingen mellem transistorens samler og emitterterminaler med fotocellen dækket af et stykke mørkt bånd og måler fuld batterispænding. Teknikeren måler også spændingen mellem transistorens samler og baseterminaler og måler fuld batterispænding. På det tidspunkt giver teknikeren op og hænder problemet for dig.

Baseret på disse oplysninger, hvad har du mistanke om er defekt i dette kredsløb, og hvordan kan du bestemme den præcise placering af fejlen "# 1"> Reveal svar Skjul svar

Batteriet og dets forbindelser til resten af ​​kredsløbet er i god stand. Vi ved også, at motoren ikke er fejlagtig åben. Sandsynligvis bliver transistoren ikke "fortalt" for at tænde.

Bemærkninger:

Det er lige så vigtigt for dine elever at kunne identificere, hvad der ikke er fejl i et system, da det er muligt for dem at kunne identificere, hvad der er fejl. Udskiftning af komponenter, der ikke er fejl, er dyrt og spildt!

En væsentlig del af at besvare dette spørgsmål er, hvad fotocellen gør, når lys rammer det. Det undergår selvfølgelig en ændring i elektrisk modstand, men hvilken vej? Dette er noget, dine elever skal afgøre, før de med held kan fejle systemet. Hvis de ikke forstår, hvad systemet skal gøre, vil de være hjælpeløse ved at fortolke, hvad det er i øjeblikket.

Spørgsmål 2

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbskonstruktionen, og vælg modstandsværdier, der er høje nok til at skade eventuelle aktive komponenter usandsynligt.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle spændings- og strømværdier.
  6. Mål forsigtigt alle spændinger og strømme for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Når elever først lærer om halvlederindretninger, og som mest sandsynligt vil beskadige dem ved at foretage ukorrekte forbindelser i deres kredsløb, anbefaler jeg, at de eksperimenterer med store komponenter med høj wattage (1N4001 rectifying dioder, TO-220 eller TO-3-tilfælde strømtransistorer, osv.), og ved brug af tørcelle batterikilder snarere end en strømforsyning. Dette mindsker sandsynligheden for komponentskader.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading" (i den høje ende) og for at undgå transistor udbrænding (i den lave ende). Jeg anbefaler modstande mellem 1 kΩ og 100 kΩ.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med de studerende at tage dit kursus?

Hvis dine elever vil arbejde med rigtige kredsløb, skal de lære om virkelige kredsløb, når det er muligt. Hvis dit mål er at uddanne teoretiske fysikere, så hold dig sammen med abstrakt analyse, med alle midler! Men de fleste af os har planer for vores elever at gøre noget i den virkelige verden med den uddannelse vi giver dem. Den "spildte" tid brugt på at opbygge rigtige kredse vil betale store udbytter, når det kommer tid til dem at anvende deres viden til praktiske problemer.

Desuden har eleverne at opbygge deres egne praksisproblemer lærer dem, hvordan man udfører primær forskning, hvilket giver dem mulighed for selv at fortsætte deres elektriske / elektronikundervisning autonomt.

I de fleste videnskaber er realistiske eksperimenter meget sværere og dyre at oprette end elektriske kredsløb. Kernfysik, biologi, geologi og kemi professorer ville bare elske at kunne deres studerende anvende avanceret matematik til virkelige eksperimenter, der udgør ingen sikkerhedsrisiko og koster mindre end en lærebog. De kan ikke, men du kan. Udnyt den bekvemmelighed, der er forbundet med din videnskab, og få de studerende af din til at udøve deres matematik på mange rigtige kredsløb!

Spørgsmål 3

Den karakteristiske farvede glød fra et gasudladnings elektrisk lys er resultatet af energi, der udsendes af elektroner i gasatomerne, da de falder fra højt niveau "ophidsede" stater tilbage til deres naturlige ("jorden") tilstande. Som en generel regel om elektronadfærd skal de absorbere energi fra en ekstern kilde for at springe ind på et højere niveau, og de frigiver den energi, når de vender tilbage til deres oprindelige niveau.

I betragtning af forekomsten af ​​dette fænomen, hvad formoder du måske, at der forekommer et PN-kryds, da det fører en elektrisk strøm?

Reveal svar Skjul svar

PN krydsninger udsender energi af en karakteristisk bølgelængde, når de udfører strøm. For nogle typer PN-kryds er bølgelængderne inden for det synlige lysområde.

Opfølgningsspørgsmål: Hvilken praktisk anvendelse kan du tænke på for dette fænomen?

Bemærkninger:

Den praktiske anvendelse af dette fænomen skal være indlysende, og det er meget almindeligt i moderne elektronisk udstyr. Diskuter med dine elever energieffektiviteten af ​​denne lysemission sammenlignet med en glødelampe.

Spørgsmål 4

Hvad bestemmer farven på en LED?

Reveal svar Skjul svar

Den type halvledermaterialer, der bruges til at lave PN-krydset, bestemmer farven på det lys, der udsendes.

Udfordringsspørgsmål: Beskriv forholdet mellem LED-farve og typisk fremspænding, hvad angår fotonfrekvens, energi og halvlederbåndgap.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at identificere nogle fælles LED materialer og farver, og selvfølgelig nævne deres kilder, som de gør. Udfordringsspørgsmålet kan let besvares gennem eksperimentering med forskellige LED-farver, selv om en fysikbaseret forklaring vil tage nogle yderligere undersøgelser. Denne form for eksperiment er meget let at gennemføre i klassen sammen.

Hvis tiden tillader det, kan du nok nævne Albert Einsteins bidrag til dette aspekt af fysik: hans formulering for energien båret af en foton (et kvante ) af lys:

E = hf

Hvor,

E = Energi båret af foton, i Joules

h = Planck konstant, 6, 63 × 10 -34 J · s

f = Lysfrekvens, i Hertz ((1 / s))

Typiske frekvenser for synlige lysfarger spænder fra 4 × 10 14 Hz til rødt, til 7, 5 × 10 14 Hz for violet.

Spørgsmål 5

Hvad er det typiske fremadspændingsfald for en lysdiode? Hvad er den typiske fremadgående strøm for en LED?

Reveal svar Skjul svar

LED fremadgående strøm er 20 mA. Fremspænding varierer med farve.

Bemærkninger:

Sørg for at spørge de studerende, hvor de har fået deres oplysninger, og hvad nogle af de fremadgående spændinger falder for forskellige farve-LED'er.

Spørgsmål 6

Forklar driften af ​​en fotovoltaisk celle, ellers kendt som en "solcelle". Hvad sker der inden for disse enheder for at omdanne sollys direkte til elektricitet?

Reveal svar Skjul svar

Energien af ​​fotoner (lette "partikler"), der rammer et PN-halvlederkryds, skaber elektronhullspar, som derefter bevæger sig i retning af, at udløbsregionens elektriske felt skubber dem.

Udfordringsspørgsmål: Hvilken betydning er båndgapet i PN-forbindelsen til effektiviteten af ​​cellen?

Bemærkninger:

Der er en del detaljer, der kan tilføjes til kontoen angivet i svaret. Bed dine elever om at levere nogle af disse detaljer! Der er mange ressourcer til at lære, hvordan fotovoltaiske celler fungerer, så dine elever må ikke have problemer med at finde informationen alene.

Spørgsmål 7

Hvad sker der, når eksternt lys rammer PN-krydset på en LED? Design og brug et eksperiment for at bekræfte din hypotese.

Reveal svar Skjul svar

Tror du virkelig, at jeg vil afsløre svaret på dette spørgsmål?

Bemærkninger:

Dette gør et fremragende eksperiment i klassen og viser en nyttig egenskab af lysdioder, som ikke mange mennesker ved.

Spørgsmål 8

Fotodioder kan betjenes i enten "fotovoltaisk" tilstand eller i "fotokonduktiv" tilstand. Beskriv forskellen mellem disse to tilstande og tegne skematiske diagrammer, der viser, hvordan en fotodiode vil blive brugt i hver tilstand.

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Spørg dine elever om en almindelig LED kan bruges som en fotodiode i hver af disse tilstande. Hvordan ville de oprette et eksperiment for at teste en LEDs evne til at fungere som en fotodiode i hver tilstand "panelpanelets standardpanel"

Spørgsmål 9

Beskriv funktionen af ​​en fototransistor . Hvilke typiske anvendelser har fototransistorerne i kredsløb? Hvad er det skematiske symbol for en fototransistor, og hvordan er det korrekt forspændt?

Reveal svar Skjul svar

Fototransistorer bruges som lyssensorer, og også som elektrisk isolerede koblingselementer, når de lyser af lysdioder.

Bemærkninger:

Spørg dine elever om, hvad der ville være i at oplyse en fototransistor med en LED. Hvorfor ikke bare dispensere med LED'en og brug bare en normal transistor til at tillade ét elektrisk signal at styre en anden "panelpanel-panelets standardpanel"

Spørgsmål 10

Fotodioder, fototransistorer og lysdioder spiller alle vigtige roller i optiske kommunikationsnetværk, hvor digitale (on / off) signaler kommunikeres over lange afstande som pulser af lysenergi i stedet for spænding eller strøm.

Hvorfor er lysdioder stærkt foretrukne over andre elektro-optiske enheder som glødelamper eller gasudladningsløg? Hvad kan en LED gøre, at en lille elektrisk lampe ikke kan?

Reveal svar Skjul svar

Semiconductor-baserede lysemitterende enheder kan tænde og slukke meget, meget hurtigere end glødelamper eller gasudladningsanordninger.

Bemærkninger:

I digitale kommunikationsnet er hastighed en væsentlig kvalitet. Spørg dine elever, hvorfor det er sådan, og ved forening, hvorfor halvlederbaserede lyskilder næsten udelukkende anvendes i optiske netværk.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →