Transcript De lasertelefoon

Onderzoekscompetenties
Elektrische structuur van de materie
Halfgeleiders les1
1. Algemene lesgegevens
In deze reeks van lessen onderzoeken we allereerst hoe de geleiding gebeurt bij vaste stoffen. Vervolgens
komen een aantal toepassingen hiervan aan bod, bv. zonnecellen, transistors, de diode, … Ten slotte gaan we
meer de praktische kant op en bestuderen we het gedrag van zonnecellen en maken we een lasertelefoon.
2. Lesverloop
Agenda leerlingen: Studie van de elektrische structuur van de materie
Beschrijving les:
HB Interactie 5² p. 130-153
In deze les werk je zelfstandig. Je zou na de les een idee moeten hebben over de geleiding bij halfgeleiders.
Lees eerst aandachtig de tekst. Markeer belangrijke passages. Maak een eigen samenvatting. Achteraf kan
je controleren of je alles begrijpt door de vragen op te lossen.
1. Welke zuivere stoffen zijn halfgeleiders?
2. Per hoeveel atomen Ge is er een vrij elektron?
3. Hoe noem je de structuur van vast silicium?
4. Hoe ontstaat een vrij elektron in een halfgeleider?
5. Wat is een positief gat? Waarom noemt men dit een positief gat en niet een positief ion? (tip: Kijk
naar het aantal elektronen in de buitenste schil)
6. Wat is excitatie en recombinatie?
7. Leg de werking uit van een LDR.
8. Wat zijn gedopeerde halfgeleiders?
9. Beschrijf de geleiding bij een n-type en een p-type halfgeleider.
10. Hoe construeer je een diode?
11. Wat is een depletielaag?
12. Waarom kunnen elektronen en gaten de depletielaag niet oversteken?
13. Leg uit hoe het komt dat een diode enkel stroom kan doorlaten in één richting.
14. Beschrijf de toepassing: de diode als gelijkrichter.
3. Verwerking
Antwoorden doorsturen via de uploadzone
Onderzoekscompetenties
Elektrische structuur van de materie
Halfgeleiders les 2
1. Algemene lesgegevens
In deze les werk je met twee of drie. Allereerst is er een stukje waarbij je de theorie van de
diode moet eigen maken. Vervolgens start het praktisch gedeelte, met de bedoeling de I(U)karakteristiek van een diode op te meten.
2. Opdrachten
1. Bouw de volgende schakeling:
De diode is hier in doorlaat geschakeld. Je kan ook één voltmeter gebruiken, die je dan
telkens van plaats wisselt.
2. Hoe is de diode geschakeld ten opzichte van de vaste weerstand (100)? Wat is hiervan
het gevolg voor de stroomsterkte en de spanning?
3. We willen een verband leggen tussen de spanning over de diode (van de p-zijde tov de nzijde) en de stroom erdoor. Draai de spanning van de bron omhoog zodat de juiste
spanning of stroom bereikt wordt. Als de spanning negatief is dien je de diode om te
draaien.
Ud (V)
Id (mA)
Ud (V)
Id (mA)
0
40
0,20
80
0,70
100
10
-1,0
15
-2,0
20
-3,0
4. Maak een Id(Ud)-grafiek.
5. Verklaar het verband tussen de stroom en de spanning bij een diode.
Onderzoekscompetenties
Elektrische structuur van de materie
Halfgeleiders les3
1. Algemene lesgegevens
In deze les werk je alleen. Bekijk in de eerste plaats de theorie. Vervolgens bouw je de
gegeven circuits en controleer je de gevonden stromen en spanningen met de theoretische
waarden.
2. Theorie
I (A)
Schakelingen et de diode:
In de vorige les heb je de I(U)-karakteristiek opgemeten van een diode.
Deze ziet er als volgt uit:
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
U (V)
I (A)
Voor het gemak benaderen we de functie als volgt (zwarte lijn):
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
U (V)
Hoe kan je dit nu gebruiken?
 Als de diode in sper staat, is de stroomstekte gelijk aan nul. De diode is dan een
oneindig grote weerstand.
 Staat de diode in doorlaat, dan is de weerstand van de diode gelijk aan nul. De
spanning over de diode is dan gelijk aan 0,7V (de drempelspanning).
3. Opdrachten
1. Los op:
Bouw de schakeling na en meet alle stroomsterktes en spanningen.
2.
Bouw de schakeling. Meet met de oscilloscoop tegelijk de bronspanning en de spanning over
de weerstand. Geef een verklaring.
a) gelijkrichten met één diode
Diode
R
100Ω
b) gelijkrichten met vier diodes
Diode1
Diode2
Diode3
Diode4
R
100Ω
Onderzoekscompetenties
Elektrische structuur van de materie
Halfgeleiders les4
1. Algemene lesgegevens
In deze les werk je alleen. In de eerste plaats werk je de vorige opdracht af en levert dit in.
2. Opdrachten
1. Zonnecel:
Zoek op hoe een halfgeleider-zonnecel in staat is om een spanning op te wekken.
Voer het volgende experiment uit:
Plaats één zonnecel op de grondplaat. Meet de elektro-motorische spanning
en
de kortsluitstroom
. Bereken hieruit het vermogen en de inwendige weerstand van
de zonnecel. Herhaal de meting als de zonnecel beschaduwd is.
Belicht
Onbelicht
Beschrijf je waarnemingen.
Geef een verklaring.
2. LED (Light Emitting Diode)
LED staat voor Light Emitting Diode. Zoals de naam zegt zal deze diode licht
uitzenden als ze in doorlaat geschakeld wordt. Zoek op hoe ’t werkt.
Onderzoekscompetenties
Elektrische structuur van de materie
Halfgeleiders les5
1. Algemene lesgegevens
In deze les werken jullie met groepjes van max. 4lln.
2. Materiaal
Solar basisbord, 3 kleine zonnecellen, 2 multimeters.
3. Opdrachten
1. Plaats de zonnecellen in serie!
2. Meet de spanning over – en de geleverde (maximale) stroomsterkte van resp 1, 2 of 3
zonnecellen. In de figuur kan je de situatie zien voor 3 zonnecellen.
3. Verander het circuit zodanig dat twee resp. drie zonnecellen parallel staan. Meet
opnieuw de stroom en spanning.
4. Noteer je resultaten in een tabel.
5. Hoe verandert de totale spanning en stroomsterkte van drie in serie geschakelde
zonnecellen wanneer 1 van de cellen verduisterd wordt. Bereken het volledige
vermogen van de groep.
6. Voer analoge metingen uit voor drie zonnecellen die in parallel staan. Verduister 1
cel en meet het volledige vermogen.
Serie
Parallel
4. Evaluatie
1. Serieschakeling:
one solar cell
Uoc
Isc
P
two solar cells
three solar cells
2. Parallelschakeling:
one solar cell
two solar cells
three solar cells
Uoc
Isc
P
3. Teken het I-n-diagram (n is het aantal zonnecellen) voor zowel de serie- en
parallelschakeling. Zet beide grafieken in één diagram. Gebruik verschillende kleuren.
4. Teken het U-n-diagram voor zowel de serie- en parallelschakeling. Zet beide grafieken
in één diagram. Gebruik verschillende kleuren.
n-I - diagram
n-U - diagram
Isc
Uoc
n
5. Stele en regel op voor het gedrag van zonnecellen in serie/parallel.
behavior of
voltage
serieschakeling
parallelverbinding
amperage
6. Beschaduwing
(1) alles belicht
Serie
(2) één
verduisterd
(3) twee
verduisterd
Uoc in V
Isc in mA
P = U·I in mW
Vermogensverlies tov(1)
in %
%
%
Noteer je waarnemingen in de tabellen. Wat kan je besluiten?
(1) alles belicht
Parallel
(2) één
verduisterd
(3) twee
verduisterd
Voc in V
Isc in mA
P = V·I in mW
Vermogensverlies tov(1)
in %
%
%
Onderzoekscompetenties
Elektrische structuur van de materie
Halfgeleiders les6
1. Algemene lesgegevens
Veel data- en telefoonverkeer reist in de vorm van laserlicht door glasvezelkabels. Geluid als
licht versturen eigenlijk niet zo moeilijk. Dit proberen we vandaag te doen.
2. Opdracht
De zender:
Als lichtbron gebruiken we een laserdiode uit de klas. De lichtsterkte van dit toestel zou op de
zelfde manier moeten veranderen als de geluidstrillingen van de lucht.
We starten met een radio als geluidsbron. Via de koptelefoon-aansluiting wordt dit
geluidssignaal omgezet in veranderlijke spanningen. Je kan dit signaal naar de laserdiode
brengen, maar dit werkt niet. Zo'n laserdiode heeft een drempelspanning van ongeveer 6V
nodig en het signaal geraakt niet zo hoog.
De oplossing gaat als volgt: onderbreek de voeding van de diode en zorg ervoor dat het
signaal van de koptelefoon opgeteld wordt bij de basisvoeding. We gebruiken een weerstand
van 10Ω omdat dit overeen stemt met de weerstand van een klein luidsprekertje. Ook is er een
condensator gebruikt van 10µF om eventuele gelijkstroom tegen te houden.
Het licht van de laser varieert nu in sterkte op het zelfde ritme als het geluid. Dit kan je wel
niet zien met het blote oog omdat die variaties veel te snel gaan.
10µF
Radio_micro
4700µF
10Ω
6V
47
Laser
De ontvanger:
Nu moeten we nog een ontvanger in elkaar zetten. Hiervoor hebben we een LDR nodig. LDR
staat voor 'Light Dependent Resistance'. De naam zegt in feite al genoeg. Als er veel licht op
het voorwerp valt, zakt de elektrische weerstand ervan.
Zo'n LDR bestaat uit een halfgeleidend materiaal (Si of Ge). Wanneer er licht op invalt
ontstaan er elektron-gaten paren die voor de geleiding kunnen instaan. Valt het licht weg, dan
zijn en niet langer vrije ladingen aanwezig en stijgt de elektrische weerstand.
Plaats een weerstand van 470Ω in serie met de LDR en sluit het geheel aan op een batterij van
9V. Terwijl het licht van de laser op de LDR invalt, varieert de weerstand van dit element.
Waarom verandert dan ook de spanning over de vaste weerstand van 470Ω? Deze spanning
brengen we via een condensator naar een koptelefoon.
Tip: Als je andere lichtbronnen uitschakelt, dan zit er minder storing op het signaal.
Als de laser-radio-ontvanger werkt, is het maar een kleine stap om er een echte lasertelefoon
van te maken met een microfoon. Wel moeten we het microfoonsignaal flink versterken, want
de vorige versie levert alleen op maximaal volume genoeg vermogen voor een duidelijk
hoorbaar eindresultaat. Je kan er ook voor kiezen om het signaal van de ontvanger te
versterken. Dit ziet er als volgt uit:
Met betere versterkers zijn nog spannender uitbreidingen mogelijk: afluisteren bijvoorbeeld.
Zo kunnen we de reflecties van een laserstraal op een raam opvangen. Hiervoor gebruiken we
een laser zonder aanpassingen. Als het raam trilt op het ritme van het geluid binnenskamers,
beweegt de laserstraal ritmisch over de lichtgevoelige cel. Zo kunnen we stiekem
meeluisteren.
Onderzoekscompetenties
Elektrische structuur van de materie
Halfgeleiders les7
1. Algemene lesgegevens
In deze les proberen we de zender te construeren. Als ontvanger gebruiken we de
klaargemaakte versie van de leerkracht. In de eerste plaats nemen we het radiosignaal als
input, om vervolgens over te gaan op de microfoon.
2. Opdracht
De zender:
Als lichtbron gebruiken we een laserdiode uit de klas. De lichtsterkte van dit toestel zou op de
zelfde manier moeten veranderen als de geluidstrillingen van de lucht.
We vertrekken van de radio/microfoon. Het signaal dat hier uitkomt gaan we eerst versterken.
Hoe moet je de versterker maken (zie vorige les)? Het versterkte signaal laat je optellen bij de
voeding van de laser zodat de intensiteit van het laserlicht meedanst op de maat van het
geluid.
Vervolledig het circuit hieronder en start dan met het echte bouwen.
laser
~
naar transfo
Onderzoekscompetenties
Elektrische structuur van de materie
Halfgeleiders les8
1. Algemene lesgegevens
In deze les proberen we de ontvanger te maken. Van de leerkracht krijg je de benodigde
componenten. Individueel moet je alles juist assembleren. Om je circuit te testen ga je naar de
leerkracht.
2. Opdracht
De ontvanger:
Om de ontvanger te maken hebben we een LDR nodig. LDR staat voor 'Light Dependent
Resistance'. De naam zegt in feite al genoeg. Als er veel licht op het voorwerp valt, zakt de
elektrische weerstand ervan.
Zo'n LDR bestaat uit een halfgeleidend materiaal (Si of Ge). Wanneer er licht op invalt
ontstaan er elektron-gaten paren die voor de geleiding kunnen instaan. Valt het licht weg, dan
zijn en niet langer vrije ladingen aanwezig en stijgt de elektrische weerstand.
Eenvoudige versie
Plaats een weerstand van 470Ω in serie met de LDR en sluit het geheel aan op een batterij van
9V. Terwijl het licht van de laser op de LDR invalt, varieert de weerstand van dit element.
Waarom verandert dan ook de spanning over de vaste weerstand van 470Ω? Deze spanning
brengen we via een condensator naar een koptelefoon.
Bouw het volgende circuit en test het resultaat bij de leerkracht.
Tip: Als je andere lichtbronnen uitschakelt, dan zit er minder storing op het signaal.
Als de laser-radio-ontvanger werkt, is het maar een kleine stap om er een echte lasertelefoon
van te maken met een microfoon. Wel moeten we het microfoonsignaal flink versterken, want
de vorige versie levert alleen op maximaal volume genoeg vermogen voor een duidelijk
hoorbaar eindresultaat. Je kan er ook voor kiezen om het signaal van de ontvanger te
versterken. Dit ziet er als volgt uit:
Ontvanger met versterker
Met betere versterkers zijn nog spannender uitbreidingen mogelijk: afluisteren bijvoorbeeld.
Het ontvangen signaal moet dan wel versterkt worden:
R4
100Ω
LDR
1000Ω
22kΩ
V2
9V
C2
C1
10µF
10µF
Koptelefoon
33.2Ω
BC548BP
470Ω
Versterker
Onderzoekscompetenties
Elektrische structuur van de materie
Halfgeleiders les9
1. Algemene lesgegevens
In deze les proberen we afluisterapparaat te maken. We gebruiken de naakte laser en de
versterkende ontvanger van vorige les.
2. Opdracht
We laten een spiegel trillen door geluid. Als het laserlicht weekaatst wordt door deze spiegel,
zal de gereflecteerde straal meedansen op het ritme van datzelfde geluid. Met de LDR vangen
we de reflectiestraal op, en kunnen zo het lichtsignaal hoorbaar maken.
Ontwerp en bouw een spiegel die gemakkelijk meetrilt met geluid. Maak verschillende
versies. Test ze.