题目19 观测电容特性 26光电二极管光电特性

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1、1实验实验 19 用示波器显示充电、放电曲线并测电容用示波器显示充电、放电曲线并测电容电阻、电容串联电路称为 RC 串联电路，简称 RC 电路。把 RC 电路通过开 关与电动势为 E 的直流电源接通时，会发现电容上的电压由原来的零值逐渐增 加，最后达到 E。可见开关动作后，电路需要一定的时间才能从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，这一变化过程称为暂态过程。本实验即通通过暂态过过暂态过程程的研究来了解的研究来了解 RC 电电路的充放路的充放电规电规律，同律，同时时通通过过充充电电或放或放电电曲曲线测线测量量电电容的大容的大小。小。 实验原理 如图 19-1，当开关 K 合向位置 1 时，电源通过

2、电阻 R 向电容 C 充电，电 容两极板上的电荷逐渐增多，电容两端电压 uc由零逐渐增大，直到 uc=E 时， 充电完毕，达到稳定状态。当开关合向位置 2 时，电容通过 R 放电，uc由 U0=E 逐渐减小，直到 uc=0 时放电结束。图 19-2（a） 、 （b）即在充放电过程中 随时间 t 的变化曲线。1 充电过程根据欧姆定律，电路满足关系 （忽略电源内阻）（19-1）EuiRC因为，代入式（19-1）dtduCiCqudtdqiC C所以,即得充电过程中电路所满足的微分方程（19-2）RCEuRCdtdu cC1由初始条件 uC|t=0=0，可得方程（19-2）的解（19-3）)1 (R

3、CtCeEu图 19-1 RC 串联电路E12K R C uC)1 (ln;ln)ln()ln()()()(0000RCtCRCt CC Ct ECtECCCCCCCCeEueEuE RCt EuE RCtEuERCtuERCdt uEuEd RCdt uEuEd RCdt uEuEd RCuE dtduE /2 0t0.632EEAUcT1/2 = RCT1/2 = RCtUcU00.368U00U0 /2 2下面具体讨论 uC的变化特征。 (1) 时间常数 = RC。 定义 = RC 为 RC 电路的时间常数。 的单位是秒（ =RC=F=CV-1=AsV-1=s） 当充电时间 t = 时，

4、由（19-3）式可算出EeEuC632. 0)1 (1 是是 RC 电电路最重要的特征常数，用以表征充、放路最重要的特征常数，用以表征充、放电电速度。速度。 越小，充放越小，充放电电速度越快；反之越慢。速度越快；反之越慢。 对式（19-3）取微商，得（19-4） t CeE dtdu可见，充电速度随着 t 的增加越来越慢。从理论上讲，当时，充电才t 会完成。实际上当 t 达到（45） 时，即可认为充电完毕。显然，t=0 的那瞬 间充电速度最快。令 t=0，由（19-4）可得EdtduE dtdu tC tC00或上式表明，如果以 t=0 那一时刻的充电速度匀速地给电容器充电，经过时E间 ，电容

5、上的电压恰好充到 E。由 的这一特点。在图 19-2（a）中过原点作 充电曲线的切线，与代表稳态值 uC=E 的虚线交于 A，则 A 点对应的时间就是 。（2）半衰期693. 02ln21T电容器充电至所需要的时间称为 RC 电路的半衰期 T1/2。将EuC21代入式（19-3） ，不难求得，或 =1.44 T1/2。EuC21693. 02ln21T2放电过程 图 19-1 中，当开关 K 合向 2，电容即通过电阻放电。令方程(19-1)中的 E=0,就 可得到放电时的微分方程(19-5)dtduRCuC C由初始条件 uC|t=0=U0，可得方程的解为（19-6）t RCtCeUeUu00

6、此式表明，uC随 t 的增加按指数规律减小。当时，因2ln21Tt021UuC图 19-2 RC 电路充放电曲线（a）（b）3此称 T1/2为半衰期。不难计算出，当时，如图RCt01 0368. 0UeUuC19-2（b）所示。此外，也可以通过作放电曲线切线的方法求得 。3用示波器观察 RC 电路在充放电过程中 uC和 uR的变化实验电路如图 19-4，19-5 所示， 用方波信号发生器代替图 19-1 电路中的直流电源和开关，用以产生阶跃电压。设设方波的周期方波的周期为为 T， ，t=0 时时，相当于，相当于电电源接源接通，通，电电容器充容器充电电； ；t=T/2 时时，相当于断开，相当于断

7、开电电源，源，电电容通容通过电过电阻阻 R1和方波和方波发发生器的内生器的内阻阻 Ri放放电电。每一个完整的方波周期，。每一个完整的方波周期，电电容器都要容器都要进进行一次充、放行一次充、放电过电过程。如此反程。如此反复地复地进进行充、放行充、放电电，就可以很方便地在示波器上，就可以很方便地在示波器上观观察察电电容容 C（或（或电电阻阻 R）上周期性）上周期性变变化的充、放化的充、放电电曲曲线线， ，如图 19-3 所示。图 16-3 方波信号作用下 RC 电路的暂态过程曲线U（UC）E0 T/2 T 3T/2 2T 5T/2 3T 7T/2 4T t方波电容充、放电曲线图 19-4 用示波器

8、观察 RC 电路的暂态过程连线图（观察 C 充放电图线）（a）双踪示波器（b）单踪示波器信号发生器双踪示波器R1CrCR1单踪示波器r0tt(uR)R1C单踪示波器r4（1）按图 19-4（a）或（b）接线。先定方波发生器输出频率 f=500HZ，调 节 R1 分别为 1k、20k、90k、观察示波器显示的波形，并描录下来。 （2）固定 R1=10k，逐次调节方波发生器输出频率 f（相应地必须调节示 波器的 Y 轴输入灵敏度（5 mv/div5v/div）或衰减倍率及 X 轴扫描速率选择旋 钮：从 0.5S0.2S/div 或 X 输出扫描速度，使再现类似上述波形，记录 f 及相 应的波形。

9、（3）选择适合测量半衰期的波形即充电或放电时间 t 达到（45） ；或 充、放电幅度达到方波幅值的波形。利用示波器的时基测量半衰期 T1/2，由半衰期公式计算电路的时间常数 RC，并根据 R 求出 C。在条693. 02ln21T件许可的时候还可以用频率计为标准来校准 X 时基轴，由此修正半衰期 T1/2。 也可以用图 19-2（a） 、 （b）所示的充、放电曲线找出纵轴 0.632E 或 0.368U0所对应的横轴相应的时间点即 的坐标，由 X 时基轴读出相应的时间常 数 RC 从而根据 R 求出 C。 注意：这里的电阻应是全电阻，不仅包括外电阻 R 还应包括信号源内阻 r. （附：X 时基

10、校正，是将 PB-2 频率仪或其它频率仪的输出端接到示波器的 Y 轴， “t/cm” 开关置于待校档。调节 PB-2 频率仪输出频率，使在示波器 X 轴上 lcm 内有 n 个完整波形， 再由 PB-2 上读出的频率换算成周期，从而得到 X 轴每厘米所代表的时间。 （4）测量方波发生器内阻 Ri，计算 RC=（R1+Ri）C，与上面测得的 RC 值进行比较，两者是否在测量误差范围内相符合。 （一般信号源内阻的简便测量方法是，用示波器（或晶体管电压表）两输入端与信号源两 输出端相接，记下电压读数。再将一电阻箱并接在信号源两端，调节电阻箱阻值，使示波 器（或晶体管电压表）上的读数为原来的一半，则电

11、阻箱上的指示值即为信号源内阻。由 于信号源内阻与其输出电压有关，所以在所以在实验过实验过程中程中输输出出电压电压一一经选经选定就不能任意定就不能任意变动变动。4.电容阻抗和频率的关系给 RC 电路加以正弦波信号时，电路呈现出和直流电路不同的特性。类似 电阻元件，电容也具有阻抗，称为容抗 ZC。电容的容抗 ZC与电源频率 f 及电容 值 C 有关， 有（19-7）fCCZC211如果已知电阻 R 的值，测量 uC 和 uR, （注意注意：此此处应处应用用电压电压表交流表交流挡测试挡测试）即可得到RCRCCRC CIRU ZU URUZ Q其中以 UC，UR表示 uC,uR的有效值，因此可得RUf

12、U fCCR2Z21C图 19-5 用示波器观察 RC 电路的暂态过程连线图（观察 R 充放电图线）IUR RZC UCCCR ZR UUtg 5由式(19-7)可知，电容的电抗 ZC随着电源频率 f 变化；f 越高，ZC越小，因 此电容具有通交流，隔直流的作用，利用这一特性可制成 RC 滤波器，广泛用 于整流滤波电路中。实验实验 26 发光二极管的光电特性发光二极管的光电特性学习重点学习重点1学习使用发光二极管，了解发光二极管的工作原理； 2测量发光二极管的伏安特性； 3测量发光二极管的正向阈值电压，估算发光波长。实验原理实验原理发光二极管（light emitting diode，简称 L

13、ED）是一种注入式电致发光器件， 由 III-IV 族化合物组成，如 GaAs，GaP，GaAsP 等，其核心是 pn 结。它除了 具有一般 pn 结二极管的特性外，在一定条件下还具有发光特性。给 pn 结加正 向电压时，注入的正向载流子会在 pn 结附近发生电子和空穴复合，同时以光能 和热能的方式释放出能量，与普通白炽灯相比较，LED 具有如下特点：功耗低、 体积小、寿命长（可达 100 000h 以上） 、驱动电压低、响应速度快。发光二极 管和以其作为发光单元的半导体器件在数码管、符号管、米字管及点阵式显示 屏（简称矩阵管） 、照明等领域得到了广泛应用。1 发发光二极管的伏安特性曲光二极管

14、的伏安特性曲线线发光二极管的伏安特性曲线与普通二极管类似，在正向电压较小时，电流 极小，不发光（或发光很微弱） ；当电压超过正向导通阈值电压 UD后。正向电 流迅速增加，发光二极管发光。由发光二极管的伏安曲线可以了解发光管的有 关参数； (1) 正向阈值电压正向阈值电压 UD。制作发光二极管的材料不同，正向阈值电压 UD也 不同。 (2) 正向工作电压 UF。UF大于正向阈值电压 UD， 一般在 1.4 4V (通常在 IF=20mA 时测得)。随着环境 温度升高，UF将下降。 (3) 最大正向直流电流 Im。即发光二极管允许通过 的最大正向直流电流，超过此值可能会损坏发光管。 Im一般在 5

15、 20mA，有的管子可以达到 50mA。 (4) 反向击穿电压。一般在 -5V 以上。2 发发光二极管的光光二极管的光谱谱特性特性光源发出的光，通常是由多种波长的光组成的，例如：太阳和白炽灯发出 的光都包含了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫多种颜色。可见光的波长为 380 780nm，超出此范围的是不可见光，如紫外光和红外光。只发出一种光波的光 源称作单色光源。目前制作的发光二极管可发红、橙、黄、绿、蓝、紫等各种发光二极管正向特性曲线图 IUUD06可见光，还有的发红外光；也有白色的发光二极管。发光二极管发光波长由材 料的种类、性质和发光中心的结构决定，与器件的几何形状、封装方式无关。3 根据根据发发光二极管的正向光二极管的正向阈值电压阈值电压估算估算发发光波光波长长发光二极管属于自发辐射发光。对于辐射跃迁发射的光子，其波长 与跃 迁前后的能量差 E 有关，满足下式：（26-1）Ehc / 式中 h=4.1310-15eVs 是普朗克常数，c = 31014 m/s 是光速。 若 E 以电子伏（eV）为单位，式（26-1）可写做（括号内为分子、分母 所取的单位）（26-2）)(/ )(1240eVEeVnm如前所述，当外加正向电压超过阈值电压 UD时发光二极管才会发光。因此， 如果测得阈值电压 UD。用 E=eU