Целью данной работы является исследование методологии курса физики и современного естествознания и эффективных практических методов освоения отдельных тем на примере разработки лабораторной работы по теме «Вольт-амперные характеристики светодиодов» с помощью конструктора «Знаток». Методы исследования: теоретический и экспериментальный.
Задачи:
1. Изучение электронного конструктора «Знаток» и внедрение его в лабораторную работу;
2. Разработка лабораторной работы по курсу физики и современного естествознания на тему «Вольт-амперные характеристики светодиодов» с помощью конструктора «Знаток».
Рассмотрение данной темы в работе является актуальной для студентов первых и вторых курсов, так как изучению светодиодной техники по программе бакалавриата специальности «Инноватика» уделяют мало внимания. Студент, освоивший данную тему, с легкостью сможет разобраться с инновациями, в которые внедрены и используются светодиоды.
Светодиод (рис. 1) или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED) – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
Рис. 1. Светоизлучающий диод
Для освоения эффективных практических методов исследования методологии курса физики и современного естествознания была разработана лабораторная работа для студентов на тему «Вольт-амперные характеристики светодиодов». Главной целью, которой является изучение ВАХ (вольт-амперных характеристик) светодиодов и исследование способов их освоения, построение вольт-амперных характеристик по измеренным значениям силы тока и напряжения, расчет сопротивление гасящего резистора. В ходе выполнения данной работы используются следующие инструменты: мультиметр, гальванический элемент, светодиоды двух типов (красный и зеленый), реостат.
Перед студентом поставлены следующие задания:
Задание 1
Ответить на следующие вопросы:
1. Светодиод – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
2. Принцип работы: при пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Задание 2
1. Соберите электрическую цепь, по схеме (рис. 1) (свечение зеленого светодиода).
Рис. 1. Основная схема включения светодиода
2. В реостате выставить максимальное значения сопротивления (50 кОм). С помощью мультиметра измерить напряжение, сопротивление и силу тока.
Занесите измеренные значения в табл. 1.
3. Изменяя сопротивление реостата (40; 30; 20; 15; 10; 5 кОм), измерьте силу тока и напряжение. Запишите полученные значения I1 и U1 в табл. 1.
Таблица 1
Результаты измерений
|
R, кОм |
50 |
40 |
30 |
20 |
15 |
10 |
5 |
|
I1, мА |
2,2 |
2,8 |
4,3 |
8,5 |
9,1 |
23,5 |
26,8 |
|
U1, В |
1,29 |
1,32 |
1,52 |
1,8 |
1,9 |
2,4 |
2,47 |
|
I2, мА |
2,62 |
1,88 |
4,3 |
6,4 |
8,3 |
13,4 |
27 |
|
U2, В |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,42 |
1,44 |
1,55 |
1,57 |
Задание 3
Свечение красного светодиода. Повторите проделанные расчеты, используя красный светодиод. Запишите полученные значения I2 и U2 в табл. 2.
Таблица 2
Результаты измерений
|
R, кОм |
50 |
40 |
30 |
20 |
15 |
10 |
5 |
|
I1, мА |
1,2 |
3 |
4,3 |
5 |
7 |
19 |
25 |
|
U1, В |
1,35 |
1,4 |
1,45 |
1,5 |
1,55 |
1,7 |
1,72 |
|
I2, мА |
2 |
1,88 |
4,2 |
5 |
6,3 |
9,4 |
24 |
|
U2, В |
1,2 |
1,27 |
1,3 |
1,36 |
1,38 |
1,4 |
1,42 |
Задание 4
По заданным значениям постройте на одном графике зависимости силы прямого тока от напряжения для двух видов светодиодов (рис. 2).
Рис. 2. Зависимости силы прямого тока от напряжения для двух видов светодиодов
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики светодиодов
Задание 5
Сравнить график теоретический зависимости силы прямого тока от напряжения для двух видов светодиодов с полученным практическим (рис. 3). Сделать вывод.
Построив график вольт-амперной характеристики для двух видов светодиодов, студенту необходимо сделать вывод о проделанной работе: чем больше напряжение, тем больше сила прямого тока. Зависимость прямая.
Задание 6.
Зная характеристики светодиода и напряжение источника тока, студенту необходимо рассчитать, какое сопротивление должен иметь гасящий резистор.
Включите гасящий резистор в цепь и наглядно проверьте.
Исходя из ВАХ (рис. 3) видно, что для разных светодиодов при токе 20 мА мы имеем разное падение напряжения: 1,4 В для красного светодиода, 1,52 В для зеленого. Для батарейки 3 В на гасящем резисторе должно в первом случае «упасть» 1,6 В, что при 20 мА произойдет при значении сопротивления резистора в 1,6 В / 20 мА=80 Ом. Во втором случае имеем, соответственно, 1,48 В / 20 мА=74 Ом.
Вывод. В ходе проделанной работы были изучены ВАХ (вольт-амперные характеристики) светодиодов и исследованы способы их освоения студентами, построены графики вольт-амперных характеристик по измеренным значениям I и U, рассчитано сопротивление гасящего резистора.
В статье была разработана и проделана лабораторная работа с помощью электронного конструктора «Знаток». Данная работа по курсу физики и современного естествознания на тему «Вольт-амперные характеристики светодиодов» имеет практическую значимость для студентов технической специальности и может быть использована как практический метод усвоения вольт-амперных характеристик светодиодов.