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 Zařazení do výuky Pokus je vhodné zařadit v rámci učiva Elektřina a magnetismus. (Polovodiče) 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 Úvod Studenti změří napětí na diodě a proud procházející diodou. Z naměřených hodnot sestrojí voltampérovou charakteristiku. 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 Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody Materiály pro učitele

4 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 Přehled pomůcek 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 Teoretická příprava (teoretický úvod) 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. Přechod PN obr. 1 obr. 2 Přechod PN v propustném směru Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody Materiály pro učitele obr. 3 obr. 4 Přechod PN v závěrném směru obr. 5 obr. 6

5 Tip2 Před tímto cvičením proveďte stejné měření v programu Edison. Naměřené hodnoty pak zpracujte např. v Excelu Motivace studentů usměrňovač střídavého proudu (napětí) obr. 7 LED diody slouží k signalizaci průchodu proudu, zdroj světla obr. 8 Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody Materiály pro učitele 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.

6 Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a rozdělíme studenty do pracovních skupin. Materiály pro studenty 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. Analýza dat 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. Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody Materiály pro učitele 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

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 Senzor pro měření napětí a proudu PS 2115 (obr. 10) 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. obr. 12 Teoretický úvod 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 Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem do laboratoře se seznam s teorií a vyplň teoretickou část pracovního listu. Postup práce Nastavení HW a SW Viz manuál k Xploreru Vlastní měření (záznam dat) Zapojíme obvod dle schématu. Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody 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 ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO LED DIODU ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO FOTODIODU V A CHARAKTERISTIKA POLOVODIČOVÉ DIODY Závislost (nejčastěji graficky vyjádřená) proudu na napětí - tzv. charakteristika polovodičové diody, neboli voltampérová charakteristika. Teoretická příprava úlohy 1) Doplň tabulku: fyzikální veličina značka jednotka elektrický proud I A elektrické napětí U V elektrický odpor R Ω elektrická vodivost G 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: Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody Pracovní list (řešená učitelská varianta) Možné řešení:

11 Vizualizace naměřených dat Zvyšujeme napětí na diodě v propustném a závěrném směru. Z naměřených hodnot proudu a napětí sestrojíme graf závislosti proudu na napětí neboli voltampérovou charakteristiku. Vyhodnocení naměřených dat 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) Pozn. 1: Pro lepší měření V-A charakteristiky diodu zapojíme bez předřadného odporu. Musíme ovšem dát pozor, abychom diodu nezničili. Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody Pracovní list (řešená učitelská varianta) 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

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 ELEKTROTECHNICKÁ ZNAČKA PRO FOTODIODU V A CHARAKTERISTIKA POLOVODIČOVÉ DIODY (slovně) Teoretická příprava úlohy 1) Doplň tabulku: fyzikální veličina značka jednotka elektrický proud elektrické napětí elektrický odpor elektrická vodivost 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. Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody Pracovní list (žákovská varianta) Zakresli elektrický obvod:

14 Vizualizace naměřených dat Zvyšujeme napětí na diodě v propustném a závěrném směru. Z naměřených hodnot proudu a napětí sestrojíme graf závislosti proudu na napětí neboli voltampérovou charakteristiku. Pozn. 2: Změna zapojení z propustného na závěrný směr se dá provést jednoduše změnou polarity zdroje. vlož graf V A charakteristiku polovodičové diody v obou směrech vlož graf V A charakteristiku polovodičové diody v závěrném směru Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody Pracovní list (žákovská varianta) vlož graf V A charakteristiku polovodičové diody v propustném směru

15 Vyhodnocení naměřených dat (zejména si všimni, jaký proud prochází při stejném napětí v propustném a v závěrném směru) Závěr (zapiš, co a jak jste dělali a k čemu jste došli. Zapiš, kde se využívá polovodičová dioda) Fyzika V-A charakteristika polovodičové diody Pracovní list (žákovská varianta)