Проведение лабораторной работы по ОП.09 «Основы электроники и схемотехники». Для обучающихся второго курса по по специальности 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования.

Лабораторная работа № 5

ОП.09 «Основы электроники и схемотехники»
РАЗДЕЛ 1. Основы электроники
Тема 1.1. Электронные приборы.
Наименование занятия		Построение рабочих характеристик фоторезистора, фотодиода и светодиода с помощью осциллографа.
Цели занятия:	познавательная	1.      Экспериментально исследовать характеристики фоточувствительных и светоизлучающих приборов с помощью осциллографа.
Общие   компетенции	ОК 1. Выбирать способы решения задач профессиональной деятельности, применительно к различным контекстам ОК 2. Осуществлять поиск, анализ и интерпретацию информации, необходимой для выполнения задач профессиональной деятельности. ОК 3. Планировать и реализовывать собственное профессиональное и личностное развитие ОК 4. Работать в коллективе и команде, эффективно взаимодействовать с коллегами, руководством, клиентами. ОК 9.  Использовать информационные технологии в профессиональной деятельности
Норма времени		4 часа
Оснащение лабораторного занятия		1.      Электронные фотоэлементы – з шт. 2.      Мультиметр – 2 шт. 3.      Миллиамперметр – 1 шт. 4.      Люксметр цифровой– 1 шт. 5.      Осциллограф – 1 шт.
Особые правила техники безопасности и охраны туда		При выполнении работы подача напряжения на схему разрешается после проверки преподавателем.
Литература		1.                  Арестов Д.А, Основы электроники. М.: Высшая школа, 2002г., 240 с. 2.                  Горошков Б.И., Горошков А.Б. Электронная техника, М.: Академия, 2005г. 3.                  Криштафович А.К. Трифонюк В В Основы промышленной электроники М.: Высшая школа, 1985г. 4.                  Миклашевский С.Н. Промышленная электроника, М.: Высшая школа, 1999 г.

Методические рекомендации

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы можно разделить на две группы: излучающие и фоточувствительные (фотоприемные). К первой группе относятся светодиоды и полупроводниковые лазерные излучатели, а ко второй – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фоторезисторы и ряд других.

Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i. p-n- и p-i-n-фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

1.    фотогальванический — без внешнего напряжения

2.    фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

-простота технологии изготовления и структуры

-сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия

-малое сопротивление базы

-малая инерционность

Параметры:

Чувствительность - отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

Шумы - помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Рисунок 1. Графическое обозначение и структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы;  Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.

                   Светодиод или светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, т. е. светодиод изначально излучает практически монохроматический свет - в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, от которой определённый цвет свечения можно получить лишь применением светофильтра. Спектральный диапазон излучения светодиода в основном зависит от типа и химического состава использованных полупроводников и ширины запрещённой зоны.

При пропускании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда — электроны и дырки — движутся навстречу и рекомбинируют в обеднённом слое диода с излучением фотонов из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой.

Характеристики.

Вольтамперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток с некоторого порогового напряжения. Величина этого напряжения позволяет достаточно точно определить материал полупроводника.

Преимущества.

По сравнению с другими электрическими источниками света светодиоды имеют следующие отличия:

-высокая световая отдача;

-высокая механическая прочность, вибростойкость;

-длительный срок службы (при достаточном охлаждении) — от 30 000 до 100 000 часов, но и он не бесконечен — при длительной работе происходит «деградация» кристалла из-за диффузии и миграции легирующих примесей и постепенное падение яркости;

-количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов;

-цветовая температура современных белых светодиодов может быть различной — от тёплого белого ~2700 к до холодного белого ~6500 к.

-спектральная чистота;

-отсутствие инерционности — включаются сразу на полную яркость;

-различный угол излучения — от 15 до 180 угловых градусов;

-низкая стоимость индикаторных светодиодов;

-безопасность — не требуются высокие напряжения, при должном охлаждении низкая температура светодиода, обычно не превышающая 60 °c.

-нечувствительность к низким и очень низким температурам;

-экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.

Рисунок 2. Условное графическое обозначение светодиода в электрических схемах

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Не имеет p-n перехода, поэтому обладает одинаковой проводимостью независимо от направления протекания тока.

Явление изменения электрического сопротивления полупроводника, обусловленное непосредственным действием излучения, называют фоторезистивным эффектом, или внутренним фотоэлектрическим эффектом

Параметры

Важнейшие параметры фоторезисторов:

-интегральная чувствительность - отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении напряжения питания);

-порог чувствительности - величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот.

Применение

Фоторезисторы используют для регистрации слабых потоков света, при сортировке и счёте готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей; в полиграфической промышленности для обнаружения обрывов бумажной ленты, контроля количества листов бумаги, подаваемых в печатную машину; в медицине, сельском хозяйстве и других областях.

Рисунок 3. Условное графическое обозначение фоторезистора в электрических схемах.

Ход работы

1.    Заполните таблицу 1.

2.    Запишите марку фотоэлементов и условное обозначения в соответствии с ГОСТом.

Таблица 1. Сведения об электроизмерительных приборах

№	Название прибора	Система прибора	Измеряемая величина	Единицы измерения	Пределы измерения	Цена деления	Класс точности
1
2
3
4

3.    Соберите электрическую схему как показано на рисунке 4, для получения ВАХ фотодиода на экране осциллографа.

4.    Зарисовать ВАХ фотодиода по осциллограмме и определить по осциллограмме параметры фотодиода: напряжение U и рассчитать силу тока I. Данные занести в таблицу № 2.

5.    Рассчитать силу тока I и Um. Амплитудное значение напряжения определяем по показанию мультиметра и зависимостью Um = U / 0.707.

6.    Соберите электрическую схему как показано на рисунке 5, для получения ВАХ светодиода на экране осциллографа. Зарисовать ВАХ светодиода по осциллограмме и определить по осциллограмме параметры светодиода: напряжение U и рассчитать силу тока I. Данные занести в таблицу № 2.

Рисунок 4. Схема для получения ВАХ фотодиода на экране осциллографа.

Таблица № 2. Результаты эксперимента

№ п/п	Наименование элемента	Опытные данные		Расчетные данные
		Ф, световой поток, Лк	U, В.	I, А	Um, В

Рисунок 5. Схема для получения ВАХ светодиода на экране осциллографа.

7.    Соберите электрическую схему как показано на рисунке 6, для получения ВАХ фоторезистора на экране осциллографа. Зарисовать ВАХ фоторезистора по осциллограмме и определить по осциллограмме параметры фоторезистора: напряжение U и рассчитать силу тока I. Данные занести в таблицу № 2.

Рисунок 6. Схема для получения ВАХ фоторезистора на экране осциллографа.

Содержание отчёта

1.    Технические данные измерительных приборов, используемых в работе.

2.    Электрические схемы цепи.

3.    Таблица с данными измерений и расчетов.

4.    Расчетные формулы.

5.    ВАХ фотодиода, светодиода и фоторезистора по показанием осциллографа.

6.    Ответы на контрольные вопросы.

7.    Выводы о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1.    Какие приборы называют оптоэлектронными?

2.    Как классифицируют оптоэлектронные приборы?

3.    Основные параметры фотодиода, светодиода, фоторезистора?

4.    Опишите устройство и работу светодиода.