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1、项目说明书物理实验竞赛实验报告张益鑫39032517 赵正39032510 王冬39032526第一部分：发光二极管特性的研究摘要摘要部分要写出实验做了什么以及得出什么结论，背景介绍可以放在后面实验原理中写：在我们的生活中，随处可见到各种各样的发光二极管，包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管，在众多类型的发光二极管中，我们选择了使用较为普遍的红色LED（图表图和表是有区别的不能这样笼统地写，以下要求相同1）做为重点，研究了它的内部结构，电学特性，发光特性。图表 1 图或
2、表前后要与正文留出一行的间距，以下要求相同我们重点研究的二极管实验原理大题目顶格写一、 发光二极管小题目空两格写结构以红色发光二极管为例，我们将其切开，可以清楚的看到其内部结构，它的核心是PN结，正是由于PN结的单向导电性，所以发光二极管只有通以正向电压时才可以发光，当PN结承受反向电压时，电阻趋于无穷大，二极管截止，不会发光。图表 2 剖开的红色LED二、 LED发光原理发光二极管是由-族化合物，如砷化镓、磷化镓、磷砷化镓等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，
3、空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流（多子）复合而发光，如下图所示：图表 3 LED发光原理图三、 LED的电学特性1. LED的常见电学参数通过查找资料，我们找到了LED的一些常用参数：1.1允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。1.2最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 1.3最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。1.4正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IF
4、m以下。1.5正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.43V。在外界温度升高时，VF将下降。2.LED的伏安特性在LED两端加上不同的电压，测得多组（UI）值，可以得到LED的伏安特性曲线，从实验得出的伏安特性曲经可以看出，在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光，而当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，二极管发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR10A以下。图表 4 3 序号依次按顺序编伏安特性曲线四、 发光二极管的光强分布
5、规律下图给出的发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。图表 3 4 理论光强分布图实验仪器发光二极管、直流稳压源、万用表、电阻箱、导线、开关、光功率计。除了直接写出所用材料即可，也可在仪器或材料前后说明一下：如测试性能用，制作应用装置用。以上必须的财料，我们利用本板，面包板，导线等元件，制作了自己的实验装置，如下图所示：图表 5 伏安特性测试装置图表 6 光强测试装置最好在图中标出仪器名称实验步骤一、 测量发光二极管的伏安
6、特性建议再测量一下反向的伏安特性曲线，以保证数据的完整性按照下图连接实验电路，其中滑动变阻器用变阻箱代替。由于电流的测试不方便，如前所述，PN结正向导通时电阻很小，如果我们串接万用表可以串联电流表吧？在电路里，万用表的内阻会对实验结果造成较大的影响，并且万用表进行电流、电压测量需要改换插头，对于测量会造成一定的不便，因此我们选择采用间接测量电压表的内阻一般是几千欧-几十千欧，当电阻箱的阻值较大是，会不会因为电压表的分流而使结果不准确呢？的方法，在此法中总电压保持不变，测量变阻箱电压，由于电阻箱阻值和其两端的压降测量都是相对精确的，我们进而测得二极管电压，电路中电流由求得，即可得到二极管的电流电
7、压关系，画出相应的伏安特性曲线，为保证二极管在串接较低电阻时也不会烧坏，我们加入了470欧姆的限流保护电阻。图表 7 伏安特性测试电路1. 改变变阻箱的阻值，记下多组（R，U）的值，此过程中保持电源总电压不变。2. 由记录的数据算出二极管两端的电压和电流并列表。3. 对数据进行处理，画出伏安特性曲线并进行分析。二、 测试一二编号都保留，不知怎么回事就被划掉了。二极管的光强分布1. 测量发光二极管法线方向光强与距离的关系。2. 如下图8所示，在本次测量实验中，我们通过电学特性测量与查找资料，在保持电源电压5V的情况下，串入150欧姆电阻，使得二极管的工作电流为20mA,这样的工作电流是二极管的正
8、常工作电流，连好线路后，我们保持单一变量是发光二极管中心到光功率计接收孔的距离，使发光二极管正对光功率计，改变接收器的位置，记录光源到接收器原位置和光功率计的读数，在这里为了使实验现象更为明显，我们选择了光功率计的200uw量程，与直径为6mm的接收孔，从较近位置到较远位置合理选择了一系列的测试点，得到光强与距离的关系。图表 8 发光二极管法线方向光强与距离的关系测试仪器3. 同上图8装置，固定光源到接收器的距离，这里我们选择在测量光强与距离关系实验中的一个适中位置（65mm），在这个位置处，光强实数较大，距离适中，符合一般二极管的使用情况，具有较强的代表性。旋转发光源，改变发光中心与导轨的夹
9、角，观察光功率计的读数变化不需要记录吗？，在此过程中保持LED电压各距离不变这句话是什么意思啊？。4. 记录和分析实验数据，并注意发光二极管中心与滑块中心的偏差，测量修正值，在数据处理中使用修正值使得结果更为精确有这个修正很好！。数据处理和误差分析一、 发光二极管的伏安特性1.伏安特性数据记录（变阻箱电压和电阻）R（欧姆）U（伏）R（欧姆）U（伏）R（欧姆）U（伏）900003.42525003.2623003.1800003.41920003.2492503.085700003.41319003.2452003.065600003.40618003.2421503.04500003.3991
10、7003.2381003.015400003.3916003.234903.015300003.37815003.23803.013200003.36214003.226703.008180003.35713003.22603.003160003.35212003.215502.996140003.34611003.208452.996120003.3410003.2402.99100003.3329003.192352.98490003.3288003.184302.9880003.3227003.174252.96770003.3166003.161202.9560003.3095003.
11、145152.9150003.34503.135102.82840003.2894003.12392.78130003.2733503.11382.7352.数据处理和图表分析根据和将上面图表中对应的值算出，然后得到如下的伏安特性曲线：图表 9 实验测得的LED伏安特性曲线作图最好保留原始数据点的痕迹，excel或origin等软件可以实现这种效果从图表中看出，在发光二极管电压小于2V时，LED的电流接近零，发光二极管基本不亮，而在电压大于2V时，电流随电压迅速增加。因此我们可以认为2V是二极管的阈值电压正向导通电压？，当电压大于2V时，二极管正向导通电流迅速增加，发光亮度迅速变亮，当亮度变化
12、到一定很大的时候，继续加大电压，人眼无法明显分辨出光强变化，继续增大电压，亮度变弱，直至发光二极管熄灭，检测发现此时的二极管已经被击穿损坏。电流上升阶段是非线性的，又这是由PN结的电学特性决定，也受到环境（如温度）的一定影响，但是从曲线整体的趋势看，已经所测得理论值已经与一般发光二极管的情况是完全相符了的，：在上升阶段的中间部分，出现了一段近似的线性上升，我们一般让二极管工作在这个区域。在电压小于2V的时候，虽然给二极管是施加的是正向电压，但是从实验和图中可以看出，此时流过二极管的电流非常的小，不足以驱动二极管发光，因此我们认为这个区域是二极管工作的死区，只有当电压大于阈值电压，二极管才能产生
13、一定的正向导通电流，驱动二极管发光。实验中，我们也对二极管的反向特性进行了测试，在反向电压小于33V时，二极管不发光，电流为零，由于直流稳压源提供的最高电压为33V，并且安全电压是36V，因此我们无法测出反向击穿电压。我们从参考资料得击穿电压为30V到60V。二、 发光二极管光强分布测试1. 测量发光二极管法线方向光强与距离的关系实验记录如下其中：修正距d电压3.5cm3.04V接收器X1表中所用物理量均需注明单位光源X2距离L=X2-X1-d功率P左右左右平均66.569.568737674.53119.2666967.5737674.53.581.265.568.567737674.545
14、6.3656866.5737674.54.542.864.567.566737674.5531.9646765.5737674.55.525.163.566.565737674.5620.5636664.5737674.56.516.262.565.564737674.5713.2626563.5737674.57.511.661.564.563737674.589.7616462.5737674.58.58.660.563.562737674.597.5606361.5737674.59.56.659.562.561737674.5105.7596260.5737674.510.5558.5
15、61.560737674.5114.6586159.5737674.511.54.157.560.559737674.5123.7576058.5737674.512.53.456.559.558737674.5133.1565957.5737674.513.52.8555856.5737674.514.52.3545755.5737674.515.52535654.5737674.516.51.7525553.5737674.517.51.5505351.5737674.519.51.1485149.5737674.521.50.8464947.5737674.523.50.6444745.
16、5737674.525.50.5424543.5737674.527.50.4404341.5737674.529.50.3353836.5737674.534.50以P为纵坐标，L为横坐标作图如下：图表 10发光二极管法线方向光强与距离的关系曲线从图表中看出，在法线方向上（导轨方向），光强与距离呈非线性关线，在L较小时，P下降迅速，在L较大时，P下降缓慢。说明光强的衰减在距离较小时是非常迅速的，当衰减到一定程度时，这种衰减变得不再明显，最后平缓的趋于0可以用曲线拟合一下，验证是不是符合平方反比关系。2. 发光二极管光强与光源角度的关系。实验记录如下：其中：（注：当光源正对接收器时，此时自制的
17、指针指向刻度盘102度）修正距d电压3.5cm3.04V角度功率角度功率700.110058.5750.5102.560.2800.810530.782.51.2107.522.6851.711010.787.52.41153.9905.21202.492.59.81251.69538.61301.197.5461350.3以功率P为纵坐标，角度为横坐标，作图如下：图表 11 发光二极管光强与光源角度的关系曲线。由图11可知，发光功率与角度关系是一个单峰曲线，在发光二级管正对接收器时，光功率计的读数最大。当光源向两边旋转时，光功率计计数读数减小。这种减小理论上应该是左右对称的，但是由于制造工艺
18、、二极管左右对称性，两边的衰减并不是标准对称的，但是都可以看出，与距离相似，这种衰减也是非线性的，并且在较小的角度内衰减很迅速，之后衰减减缓并平稳趋于0可以进一步用一个二次曲线拟合一下。三 实验总结如摘要所述，二极管在生活生产中的应用无处不在，发光二极管（LED）是我们最常见的二极管，二极管原理简单，应用广泛，但是由于生产厂家不同，价格不同，很多的参数与标准理论值相比有一定的出入，但是通过测量，我们发现这种出入是很小的，是我们可以接受的。通过电学特性的测量，我们实际绘制了二极管的伏安特性曲线，与标准PN结的曲线相比，实验结果是相似的，验证了二极管的正向导通阈值电压，通过实验，我们发现即使二极管
19、承受正向电压，如果这个电压小于二极管的阈值电压，电路中的电流几乎为0，可以认为二极管没有导通，当电压超过阈值电压之后，电流随电压上升而上升，光强变大，但是如果电压过大，二极管会被损坏。我们测得阈值电压为2V，与理论值2V-2.2V是相符的。通过伏安特性曲线，加深了对PN结导通原理的理解。在光学特性测量中，我们以单一变量为原则，研究了光强与距离，角度的关系，并绘制了相应的曲线，通过实验测量与数据分析、曲线绘制，我们得出了光强与距离、角度的非线性关系，发现在较近的距离和角度内，光强下降迅速明显，之后趋势变缓。通过电、光特性实验的设计与测量，我们对生活中常用器件发光二极管的特性有了更好的认识，对PN
20、结特性有了更深的印象，较为全面的掌握了发光二极管的主要物理特性，因此，我们的实验是成功的。第二部分： 应用装置一、 整体布局综合电路连接和美观两个角度考虑，我们在20*30cm单孔线路板上进行布局，经过一些天的制作，成品如下如所示：图表 12 电子时钟成品二、 系组组成1.控制核心为了减小体积，节约成本，我们选用一块STC89C52单片机做为控制核心，对各显示模块进行相应的控制，单片机控制系统电路图如下：图表 13 STC89C52最小系统2数码管部分我们采用了2个两位共阳数码管对时间进行显示，第一个显示小时，第二个显示分钟，中间的“：”是两个闪烁的LED灯，用单片机定时器控制时间做到精确显示
21、，数码管电路如下图14所示：图表 14数码管电路空一行即可3.流水灯设计为了多采用LED小灯，和题目要求相吻合，我们决定用60个小灯流水点亮，一方面使系统美观，另一方面每秒移动一个小灯，作为时间显示的一部分。在流水灯的控制上，由于单片机没有足够多的引脚，于是我们选用移位寄存器74HC595进行控制，以两片示例，连接如下图15所示：图表 15 74HC595串行连接4.按键控制部分为了达到修改时间和设定闹钟的部分，在电路中设置了数个按键，控制时间的设定和闹钟的设定。图表 16 按键设计5.声音部分这一部分的元件我们还没有加上，我们计划是这样的，有线路板上方位置加两人蜂鸣器，一方面做为闹钟发声元件
22、 ，另一方面，想设定音乐播放的功能。图表 17 蜂鸣器设计三、 软件编程采用keil4作为编译环境，如下图18所示图表 18 keil4四、 部分硬件设计为了达到实用效果，我们用木板制作了电路外壳和支架，如图19所示：图表 19 装饰和支撑五、 作品照片展示六、 制作总结在整个设计和制作的过程中，我们三个人互相配合，互相讨论，以较高的效率完成了制作。当然，对于本设计，最合理的方式是PCB制板，但由于我们的资金能力有限，同时想锻炼一下焊接的技术，我们最终自己用分立元件进行搭接，较好的完成了电路设计和调试。此装置可作为定时器，闹铃，倒计时器等多种用途，使用范围广泛。 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）