Urządzenia optoelektroniczne

Film dla VIGO Sysytem producenta zaawansowanej optyki (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Urządzenia optoelektroniczne

Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe i obwody


Pytanie 1

W tym obwodzie silnik elektryczny powinien się włączać za każdym razem, gdy fotokomórka siarczku kadmu ulegnie przyciemnieniu:

Niestety, silnik nie chce się włączyć, niezależnie od tego, jak mało światła uderza w fotokomórkę. Próbując rozwiązać problem z obwodem, technik mierzy napięcie między kolektorem a końcówkami tranzystora z fotokomórką pokrytą kawałkiem ciemnej taśmy i mierzy pełne napięcie akumulatora. Technik mierzy również napięcie między kolektorem a zaciskami bazowymi tranzystora i mierzy pełne napięcie akumulatora. W tym momencie technik się poddaje i podaje ci problem.

Opierając się na tych informacjach, podejrzewasz, że coś jest wadliwe w tym obwodzie i jak możesz określić dokładną lokalizację usterki "# 1"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Bateria i jej połączenia z resztą obwodu są w dobrym stanie. Ponadto wiemy, że silnik nie jest uszkodzony. Najprawdopodobniej tranzystor nie jest "mówiony", aby się włączyć.

Uwagi:

Równie ważne jest, aby twoi uczniowie mogli rozpoznać, co nie jest wadą w systemie, ponieważ to on jest w stanie rozpoznać, co jest wadliwe. Wymiana nieuszkodzonych elementów jest kosztowna i nieekonomiczna!

Istotną częścią odpowiedzi na to pytanie jest to, co robi fotokomórka, gdy uderza światło. Oczywiście, zmienia się opór elektryczny, ale w którą stronę? To jest coś, co uczniowie będą musieli określić, zanim będą mogli skutecznie rozwiązać problem z systemem. Jeśli nie rozumieją, co system ma robić, będą bezradni w interpretowaniu tego, co obecnie robi.

pytanie 2

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka matematycznego analizowania obwodów wymaga dużo nauki i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi testowemu dostarczać "odpowiedzi" zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Dokładnie zmierz i zanotuj wszystkie wartości składowe przed budową obwodu, wybierając wartości rezystorów wystarczająco wysokie, aby uszkodzić jakiekolwiek aktywne komponenty, które są mało prawdopodobne.
  2. Narysuj schemat obwodu, który będzie analizowany.
  3. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  4. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  5. Matematycznie przeanalizuj obwód, rozwiązując wszystkie wartości napięcia i prądu.
  6. Dokładnie zmierz wszystkie napięcia i prądy, aby zweryfikować dokładność analizy.
  7. Jeśli wystąpią jakiekolwiek istotne błędy (większe niż kilka procent), dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem diagramu, a następnie dokładnie oblicz ponownie wartości i ponownie zmierz pomiar.

Kiedy uczniowie najpierw zapoznają się z urządzeniami półprzewodnikowymi i najprawdopodobniej ich uszkodzą poprzez niewłaściwe połączenia w swoich obwodach, polecam eksperymentować z dużymi komponentami o dużej mocy (diody prostownicze 1N4001, tranzystory mocy TO-220 lub TO-3) itp.), a zamiast tego korzysta się z zasilanych bateriami suchych ogniw. Zmniejsza to prawdopodobieństwo uszkodzenia podzespołów.

Jak zwykle, unikaj bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystorów, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" licznika (na wyższym końcu) i uniknąć wypalenia tranzystora (na niskim końcu). Polecam rezystory od 1 kΩ do 100 kΩ.

Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować matematycznie przewidywać różne wartości napięcia i prądu. W ten sposób teoria matematyczna "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zyskaliby jedynie przez rozwiązywanie równań.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku matematycznych przewidywań) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów biorących udział w kursie?

Jeśli twoi uczniowie będą pracować z prawdziwymi obwodami, wtedy powinni, jeśli to tylko możliwe, uczyć się na prawdziwych torach. Jeśli twoim celem jest kształcenie fizyków teoretycznych, koniecznie trzymaj się abstrakcyjnych analiz! Ale większość z nas planuje, aby nasi uczniowie robili coś w prawdziwym świecie dzięki edukacji, którą im dajemy. "Zmarnowany" czas spędzony na budowaniu prawdziwych obwodów zaprocentuje ogromnymi dywidendami, gdy przyjdzie czas, aby zastosować swoją wiedzę do praktycznych problemów.

Ponadto, gdy uczniowie budują własne problemy z praktyką, uczą ich, jak wykonywać podstawowe badania, co pozwala im na autonomiczne kontynuowanie edukacji elektrycznej / elektroniki.

W większości nauk realistyczne eksperymenty są znacznie trudniejsze i kosztowniejsze niż obwody elektryczne. Fizyka jądrowa, biologia, geologia i profesorowie chemii chcieliby po prostu mieć możliwość zastosowania przez uczniów zaawansowanej matematyki do prawdziwych eksperymentów, które nie stanowią zagrożenia dla bezpieczeństwa i kosztują mniej niż podręcznik. Nie mogą, ale możesz. Wykorzystaj wygodę związaną z nauką i poproś uczniów, którzy ćwiczą matematykę na wielu prawdziwych torach!

pytanie 3

Charakterystyczna barwna poświata od wyładowczego światła elektrycznego jest wynikiem energii emitowanej przez elektrony w atomach gazu, gdy spadają one z stanów "wzbudzonych" wysokiego poziomu z powrotem do ich stanów naturalnych ("gruntowych"). Jako ogólna zasada zachowań elektronów, muszą one absorbować energię z zewnętrznego źródła, aby przejść na wyższy poziom i uwalniają tę energię po powrocie do pierwotnego poziomu.

Biorąc pod uwagę istnienie tego zjawiska, jakie podejrzenia mogą się pojawić w złączu PN, ponieważ przewodzi on prąd elektryczny?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Złącza PN emitują energię o charakterystycznej długości fali podczas przewodzenia prądu. W przypadku niektórych typów połączeń PN, długości fal znajdują się w widzialnym zakresie światła.

Pytanie uzupełniające: z jakiej praktycznej aplikacji możesz wymyślić to zjawisko?

Uwagi:

Praktyczne zastosowanie tego zjawiska powinno być oczywiste i jest bardzo powszechne w nowoczesnym sprzęcie elektronicznym. Porozmawiaj ze swoimi uczniami o efektywności energetycznej tej emisji światła w porównaniu z żarówką.

Pytanie 4

Co decyduje o kolorze diody LED?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rodzaj materiałów półprzewodnikowych wykorzystywanych do połączenia PN określa kolor emitowanego światła.

Pytanie dotyczące wyzwania: opisz związek pomiędzy kolorem LED a typowym napięciem w przód, pod względem częstotliwości fotonów, energii i półprzewodnikowej przerwy wzbronionej.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wskazali niektóre popularne materiały i kolory LED, i oczywiście cytuj ich źródła, tak jak oni. Na pytanie o wyzwanie można łatwo odpowiedzieć poprzez eksperymentowanie z różnymi kolorami diod LED, chociaż wyjaśnienie oparte na fizyce zajmie dodatkowe badania. Ten rodzaj eksperymentu jest bardzo łatwy do przeprowadzenia na zajęciach razem.

Jeśli pozwala na to czas, możesz wspomnieć o wkładzie Alberta Einsteina w ten aspekt fizyki: jego sformułowanie dla energii niesionej przez foton ( kwant ) światła:

E = hf

Gdzie,

E = Energia przenoszona przez foton, w dżulach

h = stała Plancka, 6, 63 × 10-34 J · s

f = Częstotliwość światła, w hercach ((1 / s))

Typowe częstotliwości dla kolorów światła widzialnego wynoszą od 4 × 10 14 Hz dla czerwieni, do 7, 5 × 10 14 Hz dla fioletu.

Pytanie 5

Jaki jest typowy spadek napięcia do przodu dla diody emitującej światło? Jaki jest typowy prąd przewodzenia dla diody LED?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Prąd przewodzenia LED wynosi 20 mA. Napięcie przewodzenia zmienia się w zależności od koloru.

Uwagi:

Pamiętaj, aby zapytać uczniów, skąd uzyskali informacje i jakie są naprzód spadki napięcia dla diod LED o różnych kolorach.

Pytanie 6

Wyjaśnij zasadę działania ogniwa fotowoltaicznego, inaczej zwanego "ogniwem słonecznym". Co dzieje się w tych urządzeniach, aby zamienić światło słoneczne bezpośrednio w elektryczność?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Energia fotonów (lekkich "cząstek") uderzających w złącze półprzewodnikowe PN tworzy pary elektron-dziura, które następnie poruszają się w kierunku, w którym pole elektryczne obszaru zubożenia popycha je.

Pytanie dotyczące wyzwania: jakie znaczenie ma przerwa między pasmem złącza PN a wydajnością ogniwa?

Uwagi:

Istnieje sporo szczegółów, które można dodać do konta podanego w odpowiedzi. Poproś uczniów o dostarczenie niektórych z tych szczegółów! Jest wiele zasobów do nauki działania ogniw fotowoltaicznych, więc Twoi uczniowie nie powinni mieć problemów ze znalezieniem informacji we własnym zakresie.

Pytanie 7

Co dzieje się, gdy światło zewnętrzne uderza w złącze PN diody LED? Zaprojektuj i przeprowadź eksperyment, aby zweryfikować swoją hipotezę.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Czy naprawdę sądzisz, że ujawniłbym odpowiedź na to pytanie?

Uwagi:

To doskonały eksperyment w klasie i demonstruje użyteczną właściwość diod LED, o których niewiele osób wie.

Pytanie 8

Fotodiody mogą działać w trybie "fotowoltaicznym" lub w trybie "fotoprzewodzącym". Opisz różnice między tymi dwoma trybami, rysując schematy pokazujące, w jaki sposób fotodioda byłaby używana w każdym trybie.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Zapytaj uczniów, czy zwykła dioda LED może być używana jako fotodioda w każdym z tych trybów. W jaki sposób przygotują eksperyment, aby sprawdzić zdolność diody LED do działania jako fotodioda w każdym trybie "itemscetpanel panel-panel" itemscope>

Pytanie 9

Opisz funkcję fototranzystora . Jakie typowe zastosowania mają fototranzystory w obwodach? Jaki jest schematyczny symbol fototranzystora i jak jest on prawidłowo odchylony?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Fototranzystory są wykorzystywane jako czujniki światła, a także jako elektrycznie izolowane elementy przełączające, gdy są oświetlane przez diody LED.

Uwagi:

Zapytaj uczniów, jaki byłby sens oświetlania fototranzystora za pomocą diody LED. Czemu nie wystarczy zrezygnować z diody LED i po prostu użyć normalnego tranzystora, aby umożliwić jeden sygnał elektryczny kontrolować inny "zestaw przedmiotów panelu panelu roboczego" - domyślnie>

Pytanie 10

Fotodiody, fototranzystory i diody elektroluminescencyjne odgrywają ważną rolę w optycznych sieciach komunikacyjnych, gdzie sygnały cyfrowe (wł. / Wył.) Są przesyłane na duże odległości jako impulsy energii światła, a nie napięcie lub prąd.

Dlaczego diody LED są zdecydowanie preferowane w stosunku do innych urządzeń elektro-optycznych, takich jak żarówki lub lampy wyładowcze? Co może zrobić LED, czego nie może zrobić mała lampa elektryczna?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Półprzewodnikowe urządzenia emitujące światło są w stanie włączać i wyłączać znacznie, dużo szybciej niż urządzenia żarzące się lub wyładowujące gaz.

Uwagi:

W cyfrowych sieciach łączności szybkość jest istotną cechą. Zapytaj swoich studentów, dlaczego tak się dzieje, a także, w powiązaniu, dlaczego źródła światła półprzewodnikowe są prawie wyłącznie używane w sieciach optycznych.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →