课题3 发光二极管的应用.docx

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课题3发光二极管的应用

理实一体化课程教师教案

 

(2012—2013学年第一学期)

 

专业名称矿山机电

课程名称单片机原理及应用

授课教师姚志广

系部机电工程系

 

山西煤炭管理干部学院

理实一体化教案首页

教学模块

单片机原理及应用

任课教师

姚志广

审阅

授课时数

教学方法

讲授法演示法练习法启发法项目教学法

理论课时

6

教学媒体

多媒体、现场实训教学

实训课时

12

基本教材

单片机原理及应用(第二版)高等教育出版社

合计课时

18

授课班级

授课时间

教学目标

1.知识目标:

掌握发光二极管的结构和符号;理解发光二极管的工作原理;正确识别发光二极管的正负极,掌握电路焊接调试的基本能力。

2.能力目标:

培养学生接受新知识的理解能力以及实际动手能力、分析解决问题的能力。

3.素质目标:

培养学生主动探索、创新精神;增强的安全意识;提高学生的安全常识知识。

教学分析

演示单片机的如何控制好发光二极管,重点培养学生实际动手能力

教学重点

发光二极管的工作原理、发光二极管实操

教学难点

根据发光二极管的型号选择合适阻值的电阻

教案说明

该课题内容不是很难理解,一体化教学,需要一个长期的实施过程,要求学生们养成良好的安全意识。

理论教学6节,操作12节,整个教学期间时刻提醒安全注意事项。

教学设计

1.组织教学

1.组织教学8′

2.复习旧课20′

3.引入新课20′

4.讲授新课、模仿练习632′

5.归纳总结30′

6.布置作业10′

7.板书设计

课题二发光二极管的原理及应用

【理论讲解】

旧课复习:

1、6S的基本内容

2、6S的实施方案

新课引入:

现代生活中,许多电子数码产品的使用已非常广泛,人们熟悉的路由器、充电器、MP3,这些电子数码产品中都有闪烁发光的二极管。

这就是本任务中要解决的问题。

什么是发光二极管?

它能起什么作用?

本课题的学习目标就是认识发光二极管,熟悉发光二极管的工作原理,初步了解发光二极管在显示电路中的应用。

正课内容:

一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用

(一)二极管的结构和符号

二极管是一种采用半导体材料制成的器件,主要制造材料有硅(Si)、锗(Ge)及其他化合物,二极管用途广泛,可用来产生、控制、接收、变换信号和进行能量转换等。

在人们经常见到的宾馆、银行里的发光二极管(LED)显示屏、各种LED交通信号灯、霓虹灯、装饰灯以及红外遥控器等都要用到二极管。

二极管是在硅或者锗单晶基片上加工出P型区和N型区,从P型区引出二极管的正极,从N型区引出二极管的负极,两个区域之间有个结合部,它是一个特殊的薄层,成为PN结。

二极管的内部其实就是一个用硅或者锗材料制造的PN结,警惕二极管的结构和图形符号如图所示。

 

 

二极管的符号

(二)二极管的工作特点、主要参数和分类

1、二极管的工作特点

(1)二极管的单向导电性

二极管的导电性能可以用下图实验来说明,把二极管V、可调直流稳压电源U、开关S和限流电阻器R和指示灯HL按图连接好后,接通开关,认真观察指示灯的状态是亮还是不亮?

然后把二极管的正负极对调,接通开关后,再认真观察指示灯的状态是亮还是不亮?

定义:

二极管导通时,其整机电位高于负极电位,此时的外加电压称为正向电压,二极管处于正向偏执,简称“正偏”;二极管截止时,其正极电位低于负极电位,此时的外加电压成为反向电压,二极管处于反向偏置,简称“反偏”。

结论:

二极管在加正向电压时导通,加反向电压时截止,这就是二极管的单向导电性。

(2)二极管的伏安特性曲线

 

1)正向特性

外加正向电压较小时,外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力,PN结仍处于截止状态。

正向电压大于死区电压后,正向电流随着正向电压增大迅速上升。

通常死区电压硅管约为0.5V,锗管约为0.2V。

2)反向特性

外加反向电压时,PN结处于截止状态,反向电流很小。

反向电压大于击穿电压时,反向电流急剧增加。

2、二极管的主要参数

(1)最大整流电流IFM

是指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。

实际工作时二极管的正向平均电流不得超过此值,否则二极管可能会因过热而损坏。

(2)最高反向工作电压URM

是指二极管正常工作时所允许外加的最高反向电压。

若二极管两端电压超过此值有可能导致二极管反向击穿。

(3)反向电流IR

是指在规定的反向电压(

此值越小,二极管的单向导电性越好,工作越稳定。

IR对温度很敏感,使用时注意环境温度不宜过高。

二极管的主要参数中最大整流电流IFM最高反向工作电压URM是选用二极管的两个中途要依据。

(三)发光二极管原理

发光二极管采用砷化镓、磷化镓、镓铝砷等材料制成。

不同材料制成的发光二极管,能发出不同颜色的光。

有发绿色光的磷化镓发光二极管;有发红色光的磷砷化镓发光二极管;有发红外光的砷化镓发光二极管;有双向变色发光二极管(加正向电压时发红光,加反向电压时发绿色光);还有三颜色变色的发光二极管等。

发光二极管的外型有圆形的、方形的、三角形的等,发光形式有透明和散射的,有无色和单色的等。

封装形式有金属、陶瓷和全塑料3种形式,并以陶瓷和全塑料为主。

本任务种的发光二极管采用红色。

当发光二极管的PN结加上正向电压时,电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。

不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。

发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低(1.5~3V)、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点,是一种很有用的半导体器件,常用于信号指示、数字和字符显示。

符号和照片

 

二、电阻阻值的识别

如何认电阻?

电阻主要有碳质电阻,碳膜电阻,金属膜电阻三类,应用最广的为碳膜电阻,最高档的为金属膜电阻。

要想使用电阻,首先要弄清电阻的阻值。

电阻的阻值除了直接标注之外,常以色环来标示,其中最常见的为4色环标示和5色环标示。

如采用4色环标题,其第一色环是十位数,第二色环为个位数,第三色环为应乘位数,第四色环为误差率。

例如4色环的电阻的颜色排列为红蓝棕金。

则这只电阻的电阻值为260欧误差率为5%。

如采用5色环表示,则其第一色环为百位数,第二色环是十位数,第三色环是个位数,第四色环是应乘位数,第五色环为误差率。

例如,5色环的电阻的颜色排列为黄红黑黑棕,则其阻值为420X1=420欧,误差为1%。

5色环的电阻通常是误差为1%的金属膜电阻。

其关系可见附表。

电阻在电路中用“R”加数字表示,如:

R1表示编号为1的电阻。

电阻在电路中的主要作用为:

分流、限流、分压、偏置等。

下面举例说明:

例1当四个色环依次是黄、橙、红、金色时,因第三环为红色、阻值范围是几点几kΩ的,按照黄、橙两色分别代表的数"4"和"3"代入,,则其读数为43kΩ。

第环是金色表示误差为5%。

例2当四个色环依次是棕、黑、橙、金色时,因第三环为橙色,第二环又是黑色,阻值应是整几十kΩ的,按棕色代表的数"1"代入,读数为10kΩ。

第四环是金色,其误差为5%

在某些不好区分的情况下,也可以对比两个起始端的色彩,因为计算的起始部分即第1色彩不会是金、银、黑3种颜色。

如果靠近边缘的是这3种色彩,则需要倒过来计算。

色环电阻的色彩标识有两种方式,一种是采用4色环的标注方式,令一种采用5色环的标注方式。

两者的区别在于:

4色环的用前两位表示电阻的有效数字,而5色环电阻用前三位表示该电阻的有效数字,两者的倒数第2位表示了电阻的有效数字的乘数,最后一位表示了该电阻的误差。

对于4色环电阻,其阻值计算方法位:

阻值=(第1色环数值*10+第2色环数值)*第3位色环代表之所乘数

对于5色环电阻,其阻值计算方法位:

阻值=(第1色环数值*100+第2色环数值*10+第3位色环数值)*第4位色环代表之所乘数

例1:

某4色环电阻色彩标识如下:

该电阻标称阻值=26*107=260,000,000Ω=260MΩ,误差范围±5%

探究活动:

课题:

测量和计算电阻阻值

组织形式:

个人、学习小组

活动方式:

制定活动内容。

1、由老师发给每组学生10种不同阻值的电阻,学生先用色环法计算出电阻阻值

2、用万用表检测出电阻的阻值大小

3、记录两次得出的实验结果

4、小组讨论、总结、交流。

【实操训练】

一、震荡电路一对一点亮发光二极管

(一)实训目的

1、认识各种电阻器和二极管

2、掌握电阻器阻值的读取和测量方法

3、巩固二极管的特性及使用方法

4、掌握限流电阻阻值的计算方法

 

(二)器件清单

标号

值/型号

数量

VD1

发光二极管

2个

R1、R2

5.1K

2个

R3、R4

470

2个

C1、C2

100uF

2个

VT1、VT2

9013

2个

(三)电路图原理分析

 

由上图可见,这个电路是由两个非门(反相器)用电容C1,C2构成的正反馈闭合环路。

三级管Q1的集电极输出接在Q2的基集输入,Q2的集电极输出又接在Q1的基极输入。

电路接通电源后,通过基极电阻R2,R3同时向两个三极管Q1,Q2提供基极偏置电流。

使两个三极管进入放大状态。

虽然两个三级管型号一样对称。

但电路参数总会存在微小的差异,也包括两个三极管本身,也就是说T1,T2的导通程度不可能完全相同,假设Q1导通快些,则D点的电压就会降的快些。

这个微小的差异将被Q2放大并反馈到Q1的基极,再经过Q1的放大,形成连锁反应,迅速使Q1饱和,Q2截止,D点变成低电平“0”,C点变成高电平“1”。

Q1饱和后相当于一个接通的开关,电容C1通过他放电。

C2通过它充电。

随着C1的放电,由于有正电源VCC的作用,Q2的基极电压逐渐升高,当A点电压达到0.7V后,Q2开始导通进入放大区,电路中又会立刻出现连锁反应,是Q2迅速饱和,Q1截止,C点电位变电平“0”。

D点电位变高电平“1”。

这个时候电容C2放电,C1充电。

这一充放电过程又会使Q1重新饱和,Q2截止。

如此周而复始,形成振荡。

由上可以知道通过改变C1,C2的电容大小,可以改变电容的充放电的时间,从而改变振荡频率。

【知识链接】二极管质量好坏的判断和极性的判别

二极管的检测主要是判断其正负极和质量好坏。

基本方法如下:

1)指针式万用表:

(黑表笔与表内电源正极相连,红表笔与表内负极相连)

首先将指针式万用表量程调至 R×100Ω或 R×1KΩ档(一般不用 R×1Ω档,因其电流较大,而 R×10K档电压过高管子易击穿),然后,将两表笔分别接触二极管两个电极,测得一个电阻值,交换一次电极再测一次,从而得到两个电阻值。

一般来说正向电阻小于5KΩ,反向电阻大于500KΩ,如图1.2所示。

1.极性判别

以阻值较小的一次测量为准,黑表笔所接的一端为正极,红表笔所接的一端则为负极。

2.好坏判别

性能好的二极管,一般反向电阻比正向电阻大几百倍。

(1)如两次测得的正、反向电阻很小或等于零,则说明管子内部已击穿或短路;

(2)如果正、反向电阻均很大或接近无穷大,说明管子内部已开路;

(3)如果电阻值相差不大,说明管子性能差。

上述三种情况的二极管均不能使用。

 

2)数字式万用表:

(红表笔与表内电源正极相连,黑表笔与表内负极相连)

若二极管正常,则两次测量的结果应该是:

一次显示“1”字样或没有显示,另一次显示零点几的数字。

此数字即是二极管的正向压降:

硅材料为0.6V左右;锗材料为0.2V左右,且此时红表笔接的是二极管的正极,而黑表笔接的是二极管的负极。

图1.3数字式万用表检测二极管极性

【实操训练】

二、发光二极管顺序点亮

(一)实训目的

1、认识常见电容器和三极管

2、掌握电烙铁等常用工具的使用方法

3、巩固二极管的特性及使用方法

 

(二)器件清单

标号

值/型号

数量

VD1

发光二极管

3个

R1、R2、R3

5.1K

3个

R4、R5、R6

470

3个

C1、C2、C3

100uF

3个

VT1、VT2、VT3

9013

3个

(三)电路图原理分析

 

其工作原理是:

当电源一接通,三只三极管就要争先导通,但由于元器件有差异,只有某一只管子最先导通。

假如VT1最先导通,那么VT1集电极电压下降,使电容C1的左端接近零电压,由于电容器两端的电压不能突变,所以VT2基极也被拉到近似零电压,使VT2截止。

VT2集电极为高电压,那么接在它上面的发光二极管就亮了。

此刻VT2集电极上的高电压通过电容器C2使VT3基极电压升高,三极管VT3也将迅速导通。

因此在这一段时间内,VT1与VT3的集电极均为低电压,只有接在VT2集电极上的发光二极管亮,而其余两只发光二极管不亮。

随着电源通过电阻R3对C1的充电,使三极管VT2基极电压逐渐升高,当超过0.6伏时,VT2由截止状态变为导通状态,集电极电压下降,发光二极管熄灭。

与此同时三极管VT2集电极电压的下降通过电容器C2的作用使三极管VT3的基极电压也下跳,VT3由导通变为截止。

接在VT3集电极上的发光二极管就亮了。

如此循环,电路中三只三极管便轮流导通和截止,三只发光二极管就不停地循环发光。

4、实习报告要求

1、分别画出两个任务的电路原理图

2、完成电路板的焊接和调试

3、分别说明两个电路的工作原理

4、根据调试中出现的故障现象分析其原因

五、评分标准

内容

要求

配分

评分标准

说明

布局

各个元器件的布局清晰、美观、合理

10

工艺

走线清晰,线程短,无跳接线

10

焊点

1、焊点有足够的机械强度

2、焊接可靠,保证导电性能。

3、焊点表面整齐、美观:

焊点的外观应光滑、清洁、均匀、对称、整齐、美观、充满整个焊盘并与焊盘大小比例合适。

20

调试

60

六、归纳总结

1、发光二极管,电阻,三极管的理论知识。

2、发光二极管的应用,简单电路图的分析。

 

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