Светодиоды как элемент электронных приборов

Тип занятия: изучение нового материала.

Вид занятия: практическое занятие.

Образовательная цель:

в области профессиональных компетенций:

1.2. Выполнять требования технического задания.

1.5. Выполнять требования нормативно-технической документации.

• освоение системы знаний о свойствах и применении электротехнических материалов – полупроводников, в частности светодиодов;
• знакомство с электроизмерительным прибором – цифровым мультиметром и электротехническими приборами – диодом, светодиодом, резистором;
• умение собирать простейшие электрические цепи, правильно включать электроизмерительные приборы и соблюдать правила техники безопасности при работе с электрическим током.

Воспитательная цель:

• воспитывать чувство коммуникабельности;
• развитие навыков работы в команде.

• развитие внимания, логического мышления;
• развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся в процессе выполнения самостоятельного экспериментального исследования светодиода, при проведении измерений.

Межпредметные связи: прикладная электроника, математика, электротехника.

Средства наглядности, ТСО: элементы электрических цепей; батарея питания типа “Крона”; компьютерная презентация к уроку; видеофрагмент “История создания светодиодов”.

Оборудование к уроку:

• компьютер;
• мультимедийный проектор, экран;
• калькулятор;
• цифровой мультиметр.

• набор элементов: резисторы разного номинала; светодиоды, соединительные провода;
• батарейки “Крона”;
• лист рейтинговой оценки;
• расчетный лист;
• инструкция по технике безопасности;
• ручка.

Ход занятия

(структура, содержание, хронометраж)

Здравствуйте, уважаемые господа студенты. Само слово студент определяет отношение Вас к получению информации. В Древнем Риме и в Средние века студентами назывались любые лица, занятые процессом познания. Вы современные студенты, и должны обладать умениями и навыками работы с различными видами информации. Мы используем элементы лекции, компьютерного моделирования и, конечно, эксперимент. (Слайд 1). Презентация

Приступим к изучению одного из элементов электронных схем светодиода. За время урока мы рассмотрим устройство, принцип работы, назначение и соберем небольшой участок схемы с использованием светодиода.

Светодиоды, или светоизлучающие диоды - полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. (Слайд 2)

Впервые свечение полупроводников наблюдал и исследовал в 1923 году Олег Владимирович Лосев. Первые имеющие промышленное значение светодиоды были созданы Ником Холоньяком в 1962 году. В 1993 году японец Сюдзи Накамуре создал синий светодиод, что сделало возможным при помощи красного, зеленого и синего светодиодов получать любой цвет. Основу светодиода составляет искусственный полупроводниковый кристалл, в котором реализован p-n переход. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов. Цвет свечения зависит от материала кристалла. Кристалл помещают на металлическое основание, которое является отражателем и катодом. С помощью соединительного проводка кристалл соединяют с анодным выводом. Затем всю конструкцию помещают в корпус определенной формы. Также как и у ламп накаливания, корпус светодиода называется колбой. Верхняя часть колбы выполняет роль линзы. Линза может быть собирающей или рассеивающей. Если верх выпуклый, получается линза, собирающая свет в узкий пучок. Если верх колбы плоский, то свет выходит более широким пучком. (Видео-слайд 3, озвучен)

Применение светодиодов можно разделить на две категории: информационные табло и освещение. Прямой светодиодный свет широко используется для передачи информации, например: сигнальные устройства, информационные табло, полноцветные видео дисплеи, дорожные светофоры и знаки, индикаторы поворота транспортных средств. В освещении применяются светодиоды для того, чтобы осветить поверхность или объект. Примеры включают использование светодиодов в фонариках, интерьерную подсветку, освещение фасадов зданий, подсветку дисплеев и клавиш мобильных телефонов, освещение в автомобилях, уличное освещение. (Слайд 4)

Итак, когда мы с вами познакомились с назначением и устройством светодиода, как одного из элементов электрической схемы, мы перейдем к исследованию работы данного элемента электрической схемы. Светодиоды используются во многих электронных приборах. Рассмотрим как пример устройство защиты от короткого замыкания. (Слайд 5)

Иногда в электронных схемах присутствует необходимость запитывать от источника питания дополнительные устройства. Во время короткого замыкания данное устройство позволяет отключить дополнительную нагрузку. Восстановление функционирования позволяет источнику возобновить нормальную работу. Наличие или отсутствие короткого замыкания индицируется двумя светодиодами.

Схема устройства защиты источника питания от короткого замыкания представлена на экране. Рассмотрим небольшой участок схемы, включающий светодиод и светодиодный резистор. (Слайд 6)

Ребята, мы будем работать малыми группами, по два человека. Обратите внимание на наборы, находящиеся перед Вами. В них входят набор сопротивлений (резисторов), цветной и белый светодиод, соединительные провода, измерительный прибор – мультиметр и источник питания – батарейка типа “Крона”. (Слайд 7)

У Вас на столах лежат инструкции по технике безопасности, расчетный лист, лист рейтинговой оценки. Ознакомьтесь, пожалуйста, с правилами техники безопасности. (Приложение 1) (Слайд 8, 9)

Сейчас условия нашей работы абсолютно безопасны, так мы работаем с напряжение до 12 Вольт и силой тока до 2 сотых Ампер. Но правила техники безопасности соблюдать необходимо в любом случае. (Слайд 10)

Приступим к практической работе. Ребята, прошу Вас быть внимательными и четко следовать моим инструкциям.

Измеряем постоянное напряжение, проверяем батарейку типа Крона. Для этого воспользуемся мультиметром. Им можно измерять различные величины, в том числе и постоянное напряжение. (Слайд 11)

Для этого выбираем соответствующий предел измерения переключателем, 9 вольт в этом, конкретном случае, вполне подходит. На будущее, если величина неизвестно даже примерно, начинаем измерение с максимальной величины, иначе прибор может выйти из строя. (Слайд 12)

На приборе есть красный и чёрный провод. Красный принято считать плюсом. Включаем его в плюсовой коннектор мультиметра. Подключаем так же черный провод в соответствующий вход. (Слайд 13)

Записываем величину полученного напряжения в таблицу у Вас на столе. (Приложение 2)

Мы выполнили измерение постоянного напряжения на батарейке типа Крона и в рейтинговый лист поставим 1 балл напротив данного опыта. (Приложение 3)

Светодиоды относятся к такому типу электронных компонентов которому, для долгой и стабильной работы, важно не только правильное напряжение, но и оптимальная сила тока — так что всегда, при подключении светодиода, нужно их подключать через соответствующий резистор. Иногда этим правилом пренебрегают, но результат чаще всего один — светодиод или сразу сгорает, или его ресурс очень значительно сокращается

Стоит помнить, что резисторы так же отличаются своими характеристиками и, для подключения их к светодиодам, вам необходимо выбрать резистор правильного номинала. Для того чтобы рассчитать необходимый номинал резистора следует воспользоваться законом Ома — это один из самых важных физических законов, связанных с электричеством. (Слайд 14)

Закон Ома — это физический закон, с помощью которого вы можете определить взаимозависимость напряжения (U), силы тока (I) и сопротивления (R). Суть эго проста: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению между концами проводника, и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. (Слайд 15)

Когда вам известно напряжение и сила тока, можно найти сопротивление. Прямое падение напряжения на светодиоде и максимальный прямой ток светодиода записаны в справочных данных. Если указано два падения напряжения берем минимальное значение, так при нем диод уже будет светится.

Рассчитываем сопротивление на расчетном листе.

Напряжение на сопротивлении превращается в тепло. Для того, чтобы сопротивление выдержало нагрузку и выделяемое тепло не привело к его выходу из строя, надо вычислить рассеиваемую мощность сопротивления.

Произведем расчет минимальной мощности светодиодного резистора по формулам на доске. (Слайд 16)

Это так же можно сделать в светодиодном калькуляторе в режиме онлайн. (Слайд 17)

Все полученные результаты занести в таблицу перед Вами.

За произведенный расчет сопротивления и мощности добавляем в рейтинг-лист по 1 баллу за каждый расчет.

Соберем электрическую цепь с использованием светодиода, изображенный на схеме электрической принципиальной. Как это будет выглядеть в реальности, мы так же можем продемонстрировать в современной системе компьютерного моделирования и анализа электронных схем Multisim7. (Видео-слайд 18, озвучен)

Теперь, каждый из Вас, может воспользоваться набором элементов, находящимися перед Вами. Начнем, господа студенты.

Соединим клеммы с элементом питания. Выбираем нужное нам сопротивление. Его номинал мы уже рассчитали. (Слайд 19)

Далее соединяем батарейку и резистор. (Слайд 20)

Последним подключаем светодиод. Резистор и светодиод подключаем последовательно. (Слайд 21)

Затем подключаем питание от батарейки Крона. (Слайд 22)

Если диод светится с первого сбора схемы, заносим себе 3 балла в рейтинг – лист. Если после проверки схемы преподавателем – 1 балл.

Давайте проверим напряжение на светодиоде и сравним его с табличными значениями для различных цветов светодиодов. Выбираем измерительную шкалу. Выбираем тоже положение переключателя что у нас было.

При прикосновении щупами к элементам, между которыми имеется напряжение, стрелка отклоняется от нулевой от метки и указывает на шкале значение, соответствующее величине напряжения. А на дисплее появляется число, обозначающее величину напряжения в Вольтах.

Подключаем мультиметр параллельно светодиоду. И записываем результат в таблицу измерений. (Слайд 23)

Начисляем себе 1 балл, после получения напряжения на светодиоде.

Осталось последнее измерение. Теперь разрываем цепь межу сопротивлением и светодиодом, включаем измерительный прибор и измеряем протекающий в цепи ток. Мультиметр в случае измерения силы тока должен быть подключен последовательно. (Слайд 24, 25)

Если ток менее 20 мА, надо немного уменьшить сопротивление, если больше 20 мА - увеличить. Вот и все! Получив ток в 20 мА, мы достигли оптимальной работы светодиода, а при таком режиме производитель гарантирует 10 лет непрерывной работы.

Добавляем балл за измерение силы тока.

Подведем итоги: на уроке мы должны были познакомиться с работой одного из элементов электронных схем ……Светодиода.

В процессе выполнения мы научились проводить измерения постоянного напряжения, силы тока.

Вы собрали схему, в которой показали работу светодиода

Так как у всех Вас схема заработала, я считаю, что Вы все справились с заданием. Вы согласны? Подсчитать баллы и выставить оценку вы можете, посмотрев на рейтинговый лист и подсчитав полученные баллы. (Слайд 26)

Список использованной литературы и Internet-источников:

1. Хернитер Марк Е. Multisim7: Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств. (Пер. с англ.) Осипов А.И. – М.; Издательский дом ДМК-пресс, 2006, - 488 с.: ил.
2. Гальперин М.В. Электронная техника. – М.: Инфра-М, 2007.
3. http://www.chipdip.ru/ - Приборы и электронные компоненты.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3