Wirtualne Laboratorium WL‑I
Badanie różnych diod w obwodzie elektrycznym
W wirtualnym laboratorium wykonasz trzyczęściowy eksperyment.
Doświadczenie 1. Dla każdej z diod sprawdzisz, które wyprowadzenie jest anodą, a które katodą.
Doświadczenie 2. Zbadasz, jakie napięcie jest potrzebne, aby zaświecić diodę luminescencyjną czerwoną i niebieską.
Doświadczenie 3. (dla profilu rozszerzonego) Wyznaczysz charakterystykę prądowo‑napięciową różnych diod.
Przeczytaj uważnie instrukcję, zapoznaj się z wyposażeniem laboratorium, a następnie wykonaj polecenia i ćwiczenia powiązane z każdym z doświadczeń.
Opis Wirtualnego Laboratorium
Na ekranie wirtualnego laboratorium widać błękitny blat stołu i jasnozieloną ścianę za nim. Na stole stoją dwa przyrządy w kształcie dużych pudełek: po lewej stronie zasilacz prądu stałego, a po prawej – amperomierz cyfrowy. Oba urządzenia są koloru szarego, po lewej stronie mają duży cyfrowy wyświetlacz, po prawej – prostokątny czerwony wyłącznik, a pod nim – zaciski do podłączenia przewodów. Zaciski zasilacza są oznaczone: lewy znakiem „minus” i kolorem czarnym, prawy znakiem „plus” i kolorem czerwonym. Zaciski amperomierza nie są oznaczone – oba mają kolor czarny. Wyświetlacz zasilacza wskazuje z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku wartość napięcia, które można ustawiać dużym suwakiem znajdującym się w górnej części urządzenia. Podpis pod wyświetlaczem brzmi: „VOLTS DC”. Wyświetlacz amperomierza wskazuje natężenie prądu z dokładnością do trzech miejsc po przecinku, a napis pod nim brzmi: „DC AMMETER”.
Na ścianie, nad zasilaczem, na dwóch hakach wiszą przewody połączeniowe do wykorzystania: na lewym czerwone, a na prawym – czarne. Nad amperomierzem znajdują się diody, które kliknięciem można zdjąć z półki i położyć na stole w celu przeprowadzenia eksperymentu.
Oznaczenia elektrod diody
Jak rozpoznać anodę i katodę w diodzie?
Celem doświadczenia jest zbadanie, która z elektrod diody jest katodą a która anodą.
Zasilanie diody, zarówno prostowniczej jak i luminescencyjnej, stałym napięciem pozwala zauważyć różnice w przewodzeniu zależne od kierunku przyłożonego napięcia.
Zapoznaj się z wyposażeniem dostępnym w wirtualnym laboratorium.
Zwróć uwagę na jeden szczegół budowy amperomierza i zastanów się nad ubocznym problemem:
Choć jest to miernik prądu stałego (świadczy o tym oznaczenie DC, z języka angielskiego „Direct Current”), to jego wejścia nie są opisane symbolami „plus” i „minus”. Wskazania miernika są zawsze dodatnie, niezależnie od kierunku przepływu prądu w obwodzie.
Czy ta cecha budowy amperomierza ułatwia Ci przeprowadzenie doświadczenia, czy utrudnia? Rozwinięcie tego problemu oraz propozycje jego rozwiązania znajdziesz w części „Podsumowanie”.
Przeprowadź, dla każdej diody, próby opisane w instrukcji w laboratorium.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1BhQtEqh
Wyniki swoich prób i swoje rozstrzygnięcia wpisz do Dziennika obserwacji.
Przypomnij sobie uboczny problem zasygnalizowany w części „Co będzie potrzebne”. Podczas doświadczenia występuje konieczność przekładania przewodów dla uzyskania zmiany polaryzacji diody. Zgodzisz się, że spowalnia to przeprowadzenie obserwacji, nie wnosząc do niej niczego ciekawego.
Czy powodem takiej organizacji pracy może być nieco nietypowa budowa amperomierza dostępnego w laboratorium? Wejścia mierników cyfrowych (analogowych także) na ogół mają oznaczenia polaryzacji, gdy są przeznaczone do pomiaru napięć czy prądów stałych. W przypadku podłączenia miernika „plusem zasilacza do minusa miernika” odczyt na wyświetlaczu miernika cyfrowego jest poprzedzony znakiem „minus”, zaś w mierniku analogowym odczyt jest niemożliwy, chyba że zero miernika zostało umieszczone na środku skali.
A może powodem takiej organizacji pracy jest zasilacz z wbudowanym woltomierzem? Suwak zasilacza mógłby mieć środkowe położenie odpowiadające napięciu 0 V. Przesuwanie go w jedną stronę podawałoby napięcie „dodatnie”, tj. zgodne z opisem wyjść). Przesunięcie suwaka w drugą stronę generowałoby napięcie „ujemne”, czyli przeciwne do opisu wyjść, a wyświetlana wartość napięcia byłaby poprzedzana znakiem „minus”.
Rozstrzygnij, który z alternatywnych przyrządów (amperomierz z „minusem” na wyświetlaczu czy zasilacz z zerem napięcia w środku) zwolniłby Cię z konieczności przestawiania przewodów w celu zmiany polaryzacji diody. A może wystarczyłby którykolwiek z nich, ale nie oba? A może właśnie konieczne byłyby oba te przyrządy? Swoje rozstrzygnięcie, wraz z uzasadnieniem, wpisz do odpowiedniej sekcji Dziennika obserwacji.
Oznaczenia elektrod diody
Jak rozpoznać anodę i katodę w diodzie?
Celem doświadczenia jest zbadanie, która z elektrod diody jest katodą a która anodą.
Zasilanie diody, zarówno prostowniczej jak i luminescencyjnej, stałym napięciem pozwala zauważyć różnice w przewodzeniu zależne od kierunku przyłożonego napięcia.
Zapoznaj się z wyposażeniem dostępnym w wirtualnym laboratorium.
Zwróć uwagę na jeden szczegół budowy amperomierza i zastanów się nad ubocznym problemem:
Choć jest to miernik prądu stałego (świadczy o tym oznaczenie DC, z języka angielskiego „Direct Current”), to jego wejścia nie są opisane symbolami „plus” i „minus”. Wskazania miernika są zawsze dodatnie, niezależnie od kierunku przepływu prądu w obwodzie.
Czy ta cecha budowy amperomierza ułatwia przeprowadzenie doświadczenia, czy utrudnia? Rozwinięcie tego problemu oraz propozycje jego rozwiązania znajdziesz w części „Podsumowanie”.
Gdy podłączymy do diody napięcie tak, żeby prąd popłynął od anody do katody, nazywamy to polaryzacją w kierunku przewodzenia. W takiej sytuacji przez diodę popłynie prąd o dużym natężeniu. Z kolei, gdy podłączymy do diody napięcie tak, żeby prąd popłynął od katody do anody, nazywamy to polaryzacją w kierunku zaporowym. W takiej sytuacji przez diodę popłynie prąd o bardzo małym natężeniu, raczej nie do wykorzystania w praktyce.
Aby dało się rozpoznać, które wyprowadzenie diody jest anodą, a które katodą, w przypadku diod prostowniczych najczęściej jedno wyprowadzenie jest oznaczane jasnym paskiem, a w przypadku diod świecących jedna „nóżka” jest dłuższa, a druga krótsza.
W wirtualnym laboratorium przeprowadzono pierwszą część doświadczenia, w celu stwierdzenia, które wyprowadzenie diody prostowniczej jest katodą, a które anodą, w następujący sposób:
Włączono zasilacz i ustawiono napięcie na 0 V oraz włączono amperomierz.
Położono na stole diodę prostowniczą i połączono ją w następujący sposób:
- koniec oznaczony jasnym paskiem połączono czerwonym przewodem do zacisku „+” zasilacza,
- koniec diody bez oznaczenia połączono czarnym przewodem z jednym z zacisków amperomierza,
- drugi zacisk amperomierza połączono czarnym przewodem z zaciskiem „–” zasilacza.Powoli zwiększano napięcie zasilające i uzyskano rezultaty takie, jak w drugiej i trzeciej kolumnie tabeli poniżej.
Następnie ustawiono napięcie na 0 V i ponownie wykonano połączenie elementów obwodu – tym razem przewody biegnące do zasilacza i amperomierza połączono z wyprowadzeniami diody odwrotnie.
Powoli zwiększano napięcie zasilające i uzyskano rezultaty takie, jak w czwartej i piątej kolumnie tabeli poniżej.
U (V) | Koniec z paskiem do „+” | Koniec z paskiem do „–” | ||
|---|---|---|---|---|
I (A) | Obserwacje | I (A) | Obserwacje | |
0 | 0 | – | 0 | – |
0,1 | 0 | – | 0 | – |
0,2 | 0 | – | 0 | – |
0,3 | 0 | – | 0 | – |
0,4 | 0 | – | 0 | – |
0,5 | 0 | – | 0,001 | – |
0,6 | 0 | – | 0,002 | – |
0,7 | 0 | – | 0,007 | – |
0,81 | 0 | – | 0,019 | – |
0,91 | 0 | – | 0,054 | – |
1,01 | 0 | – | 0,152 | – |
1,11 | 0 | – | 0,429 | – |
1,21 | 0 | – | 1,21 | – |
1,22 | 0 | – | 0 | dioda spaliła się |
W wirtualnym laboratorium przeprowadzono drugą część doświadczenia, w celu stwierdzenia, które wyprowadzenie czerwonej diody świecącej jest katodą, a które anodą, w następujący sposób:
Włączono zasilacz i ustawiono napięcie na 0 V oraz włączono amperomierz.
Położono na stole czerwoną diodę świecącą i połączono ją w następujący sposób:
- dłuższą nóżkę połączono czerwonym przewodem do zacisku „+” zasilacza,
- krótszą nóżkę połączono czarnym przewodem z jednym z zacisków amperomierza,
- drugi zacisk amperomierza połączono czarnym przewodem z zaciskiem „–” zasilacza.Powoli zwiększano napięcie zasilające i uzyskano rezultaty takie, jak w drugiej i trzeciej kolumnie tabeli poniżej.
Następnie ustawiono napięcie na 0 V i ponownie wykonano połączenie elementów obwodu – tym razem przewody biegnące do zasilacza i amperomierza połączono z wyprowadzeniami diody odwrotnie.
Powoli zwiększano napięcie zasilające i uzyskano rezultaty takie, jak w czwartej i piątej kolumnie tabeli poniżej.
U (V) | Dłuższa nóżka do „+” | Dłuższa nóżka do „–” | ||
|---|---|---|---|---|
I (A) | Obserwacje | I (A) | Obserwacje | |
0 | 0 | – | 0 | – |
0,1 | 0 | – | 0 | – |
0,2 | 0 | – | 0 | – |
0,3 | 0 | – | 0 | – |
0,4 | 0 | – | 0 | – |
0,5 | 0 | – | 0 | – |
0,6 | 0 | – | 0 | – |
0,7 | 0 | – | 0 | – |
0,82 | 0 | – | 0 | – |
0,91 | 0,001 | – | 0 | – |
1,01 | 0,001 | – | 0 | – |
1,11 | 0,001 | – | 0 | – |
1,21 | 0,002 | – | 0 | – |
1,31 | 0,003 | – | 0 | – |
1,41 | 0,005 | – | 0 | – |
1,51 | 0,008 | – | 0 | – |
1,61 | 0,012 | – | 0 | – |
1,71 | 0,019 | – | 0 | – |
1,81 | 0,029 | – | 0 | – |
1,9 | 0,042 | – | 0 | – |
2,0 | 0,064 | zaczyna świecić | 0 | – |
2,1 | 0,099 | świeci nieco jaśniej | 0 | – |
2,2 | 0,152 | dioda świeci | 0 | – |
2,3 | 0,234 | dioda świeci | 0 | – |
2,4 | 0,361 | dioda świeci | 0 | – |
2,5 | 0,557 | dioda świeci | 0 | – |
2,6 | 0,859 | dioda świeci | 0 | – |
2,67 | 0 | dioda spaliła się | 0 | – |
Przeanalizuj wyniki eksperymentu, a swoje wnioski i rozstrzygnięcia wpisz do formularza.
Przypomnij sobie uboczny problem zasygnalizowany w części „Co będzie potrzebne”. Podczas doświadczenia występuje konieczność przekładania przewodów dla uzyskania zmiany polaryzacji diody. Zgodzisz się, że spowalnia to przeprowadzenie obserwacji, nie wnosząc do niej niczego ciekawego.
Czy powodem takiej organizacji pracy może być nieco nietypowa budowa amperomierza dostępnego w laboratorium? Wejścia mierników cyfrowych (analogowych także) na ogół mają oznaczenia polaryzacji, gdy są przeznaczone do pomiaru napięć czy prądów stałych. W przypadku podłączenia miernika „plusem zasilacza do minusa miernika” odczyt na wyświetlaczu miernika cyfrowego jest poprzedzony znakiem „minus”, zaś w mierniku analogowym odczyt jest niemożliwy, chyba że zero miernika zostało umieszczone na środku skali.
A może powodem takiej organizacji pracy jest zasilacz z wbudowanym woltomierzem? Suwak zasilacza mógłby mieć środkowe położenie odpowiadające napięciu 0 V. Przesuwanie go w jedną stronę podawałoby napięcie „dodatnie”, tj. zgodne z opisem wyjść. Przesunięcie suwaka w drugą stronę generowałoby napięcie „ujemne”, czyli przeciwne do opisu wyjść, a wyświetlana wartość napięcia byłaby poprzedzana znakiem „minus”.
Rozstrzygnij, który z alternatywnych przyrządów (amperomierz z „minusem” na wyświetlaczu czy zasilacz z zerem napięcia w środku) zwolniłby eksperymentatora z konieczności przestawiania przewodów w celu zmiany polaryzacji diody. A może wystarczyłby którykolwiek z nich, ale nie oba? A może właśnie konieczne byłyby oba te przyrządy? Swoje rozstrzygnięcie, wraz z uzasadnieniem, wpisz do formularza poniżej.
Napięcie progowe luminescencji
Przy jakim napięciu dioda LED zaświeci?
Celem eksperymentu jest pomiar minimalnego (progowego) napięcia, które zapewnia emisję światła przez diodę LED.
Napięcie progowe dla diody niebieskiej jest większe niż dla diody czerwonej.
Wykorzystaj wyposażenie laboratorium.
Postępuj zgodnie z instrukcją zawartą w Wirtualnym Laboratorium.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1BhQtEqh
Rozważ wykonanie kilku prób dla każdej diody. Opracuj element swojego postępowania, który pozwoli oszacować ilościowo problem zasygnalizowany w zdaniu „Dioda będzie zaświecać się stopniowo, więc będziesz w stanie podać jedynie orientacyjną wartość.” Zaproponuj także sposób zapewnienia, by kolejne pomiary napięcia były możliwie niezależne od poprzednich.
Zapisz swoje postępowanie oraz wyniki dla każdej z diod w odpowiedniej sekcji Dziennika pomiarów.
Porównaj wyniki uzyskane dla obu diod. Rozstrzygnij hipotezę badawczą. Zapisz swoje rozstrzygnięcia i uzasadnienia w odpowiedniej sekcji Dziennika badawczego.
Napięcie progowe luminescencji
Przy jakim napięciu dioda LED zaświeci?
Celem eksperymentu jest pomiar minimalnego (progowego) napięcia, które zapewnia emisję światła przez diodę LED.
Napięcie progowe dla diody niebieskiej jest większe niż dla diody czerwonej.
Wykorzystaj wyposażenie laboratorium.
W wirtualnym laboratorium przeprowadzono trzecią część doświadczenia, w celu wyznaczenia napięcia progowego dla diody niebieskiej, które zapewnia emisję światła. Postępowano w opisany niżej sposób:
Włączono zasilacz i ustawiono napięcie na 0 V oraz włączono amperomierz.
Położono na stole niebieską świecącą diodę LED i połączono ją w następujący sposób:
- dłuższą nóżkę połączono czerwonym przewodem do zacisku „+” zasilacza,
- krótszą nóżkę połączono czarnym przewodem z jednym z zacisków amperomierza,
- drugi zacisk amperomierza połączono czarnym przewodem z zaciskiem „–” zasilacza.Powoli zwiększano napięcie zasilające i uzyskano rezultaty takie, jak w tabeli poniżej.
U (V) | I (A) | Obserwacje |
|---|---|---|
od 0,0 do 2,0 | 0 | – |
2,1 | 0,001 | – |
2,2 | 0,001 | – |
2,3 | 0,001 | – |
2,4 | 0,001 | – |
2,5 | 0,001 | – |
2,6 | 0,001 | – |
2,7 | 0,002 | – |
2,8 | 0,002 | – |
2,9 | 0,002 | – |
3,0 | 0,003 | zaczyna świecić |
3,1 | 0,004 | świeci nieco jasniej |
3,2 | 0,004 | dioda świeci |
3,3 | 0,005 | dioda świeci |
3,4 | 0,006 | dioda świeci |
3,51 | 0,007 | dioda świeci |
3,61 | 0,009 | dioda świeci |
3,71 | 0,011 | dioda świeci |
3,81 | 0,013 | dioda świeci |
3,91 | 0,015 | dioda świeci |
4,01 | 0,018 | dioda świeci |
4,11 | 0,022 | dioda świeci |
4,21 | 0,026 | dioda świeci |
4,31 | 0,032 | dioda świeci |
4,41 | 0,038 | dioda świeci |
4,51 | 0,045 | dioda świeci |
4,6 | 0,053 | dioda świeci |
4,7 | 0,063 | dioda świeci |
4,81 | 0,078 | dioda świeci |
4,9 | 0,091 | dioda świeci |
5,0 | 0,109 | dioda świeci |
5,1 | 0,131 | dioda świeci |
5,2 | 0,157 | dioda świeci |
5,3 | 0,188 | dioda świeci |
5,4 | 0,225 | dioda świeci |
5,5 | 0,27 | dioda świeci |
5,6 | 0,323 | dioda świeci |
5,7 | 0,387 | dioda świeci |
5,8 | 0,464 | dioda świeci |
5,9 | 0,556 | dioda świeci |
6,0 | 0,662 | dioda świeci |
Porównaj wyniki uzyskane dla obu diod (dla diody czerwonej – w poprzednim doświadczeniu). Rozstrzygnij hipotezę badawczą. Zapisz swoje rozstrzygnięcia i uzasadnienia w formularzu poniżej.
Charakterystyka diody (zakres rozszerzony)
Jak zależy natężenie prądu płynącego przez diodę od przyłożonego napięcia?
Celem pomiarów jest wyznaczenie charakterystyki prądowo‑napięciową każdej z dostępnych diod i porównanie uzyskanych przebiegów.
Charakterystyki w kierunku przewodzenia poszczególnych diod różnią się nieco.
Charakterystyki w kierunku zaporowym są praktycznie identyczne.
Wykorzystaj wyposażenie laboratorium.
Podczas pomiarów zwróć uwagę na wyniki uzyskiwane w kierunku zaporowym. Czy dla rozstrzygnięcia hipotezy w części (b) przydatne byłoby uzyskanie wyników bardziej dokładnych? Czy można je uzyskać poprzez zmianę wyposażenia?
Przeprowadź pomiary zgodnie z instrukcją zawartą w Wirtualnym Laboratorium.
Wyniki pomiarów wpisz do tabelki w Dzienniku Pomiarów.
Wykonaj polecenia. Swoje rozstrzygnięcia, uzasadnienia i komentarze wpisz do odpowiednich sekcji Dziennika pomiarów.
Oblicz maksymalną moc elektryczną każdej diody, dostępną w warunkach laboratorium. Oblicz standardową niepewność pomiaru .
Sporządź wspólny wykres zależności dla badanych diod w kierunku przewodzenia.
- Na jego podstawie rozstrzygnij hipotezę badawczą (a).
- Oceń, czy ułożenie punktów pomiarowych jest podobne do przebiegu pokazanego na rys. 2. w części Przeczytaj.
Sporządź wspólny wykres zależności dla badanych diod w kierunku zaporowym.
- Na jego podstawie rozstrzygnij hipotezę badawczą (b).
- Oceń, czy ułożenie punktów pomiarowych jest podobne do przebiegu pokazanego na rys. 2. w części Przeczytaj.
Wartości natężenia prądu w kierunku zaporowym są wszystkie zerowe. Pozostawia to niedosyt przy rozstrzyganiu hipotezy badawczej (b). Zaproponuj uzupełnienie w wyposażeniu laboratorium, które pozwoli sprawdzić, czy natężenia prądów w kierunku zaporowym diod są różne. Uzasadnij swoją propozycję.
Charakterystyka diody (zakres rozszerzony)
Jak zależy natężenie prądu płynącego przez diodę od przyłożonego napięcia?
Celem pomiarów jest wyznaczenie charakterystyki prądowo‑napięciową każdej z dostępnych diod i porównanie uzyskanych przebiegów.
Charakterystyki w kierunku przewodzenia poszczególnych diod różnią się nieco.
Charakterystyki w kierunku zaporowym są praktycznie identyczne.
Wykorzystaj wyposażenie laboratorium.
Zwróć uwagę, że wszystkie potrzebne pomiary zostały już wykonane w poprzednich doświadczeniach. Teraz wystarczy porównać uzyskane wyniki i wyciągnąć wnioski.
Wykonaj polecenia. Swoje rozstrzygnięcia, uzasadnienia i komentarze wpisz do odpowiednich formularzy.
Oblicz maksymalną moc elektryczną każdej diody, dostępną w warunkach laboratorium. Oblicz standardową niepewność pomiaru .
Porównaj zależności dla badanych diod w kierunku przewodzenia. Na tej podstawie rozstrzygnij hipotezę badawczą (a).
Porównaj zależności dla badanych diod w kierunku zaporowym. Na jego podstawie rozstrzygnij hipotezę badawczą (b).
Wartości natężenia prądu w kierunku zaporowym są wszystkie zerowe. Pozostawia to niedosyt przy rozstrzyganiu hipotezy badawczej (b). Zaproponuj uzupełnienie w wyposażeniu laboratorium, które pozwoli sprawdzić, czy natężenia prądów w kierunku zaporowym diod są różne. Uzasadnij swoją propozycję.