ch-09.tpf

Size: px

Start display at page:

Download "ch-09.tpf"

洞蒙
5 years ago
Views:

1 第 9 章, 皆為顯示元件, 可將電路輸出狀態顯示出來, 是數位電路中, 常用的輸出元件, 在各種電子產品中應用非常廣泛能正確使用顯示元件, 是本章的研習重點本章實習時數 : 12 小時 9-1 發光二極體的認識與使用認識發光二極體的特性能正確使用發光二極體認識七段顯示器的分類能正確使用七段顯示器 9-2 七段顯示器的認識與使用技能活動學後評量 227

基礎電子實習 9-1 發光二極體的認識與使用發光二極體 (light-emittingdiode) 簡稱 LED, 是一種冷光發光元件, 其發光原理是利用順向電流, 迫使 P 型與 N 型半導體中電子與電洞相結合, 以光的形式釋放能量來產生光源, 所以 LED 具有將電能轉換成光能的能力若以發光波長區分, 可分為可見光與不可見光 ( 紅外線 )LED 兩種在半導體中加入不同的元素,

2 基礎電子實習 9-1 發光二極體的認識與使用發光二極體 (light-emittingdiode) 簡稱 LED, 是一種冷光發光元件, 其發光原理是利用順向電流, 迫使 P 型與 N 型半導體中電子與電洞相結合, 以光的形式釋放能量來產生光源, 所以 LED 具有將電能轉換成光能的能力若以發光波長區分, 可分為可見光與不可見光 ( 紅外線 )LED 兩種在半導體中加入不同的元素, 因為材料能帶間隙不同, 可讓發光二極體產生不同波長的光, 例如 : 磷化鎵 (GaP) 發出綠光砷化鎵 (GaAs) 發出紅光加上雜質鋅 (zinc) 的砷化鎵可發出紅外光目前 LED 黃光及紅光技術日趨成熟, 但藍光開發最慢且亮度最差, 價格也最貴, 另外提供照明使用的高亮度白光 LED, 也是目前當紅的產品如圖 9-1 為發光二極體的發光波長頻譜圖 9-1 發光二極體的發光波長頻譜 228

3 第 9 章相較於一般傳統燈泡發光的形式,LED 具有效率高節省能源體積小壽命長耐震反應速度快且適合量產的優點, 因此現在已經成為日常生活中不可或缺的重要顯示元件可見光 LED 的應用範圍包括交通號誌戶外大型顯示看板通訊產品背光源電腦及週邊產品指示燈汽車儀表板及車燈消費性電子產品指示燈工業儀表設備指示燈等不可見光 LED 則用於光纖通訊汽車防撞感測器遙控器防盜照明紅外線傳輸模組自動控制檢測 ( 例如雷射印表機的進紙檢測裝置 ) 等發光二極體的基本特性 LED 的電流 - 電壓特性如圖 9-2 所示, 為 LED 的電流 - 電壓特性曲線, 一般而言 LED 大約需要 1.6V 圖 9-2 LED 的電流 / 電壓特性曲線以上的順向電壓, 才能產生順向電流, 但是順向電壓太大, 亦將造成順向電流過大, 使得 LED 有燒毀之虞, 這是必須要注意的 LED 的發射束 - 電流特性如圖 9-3 所示, 為 LED 的發射束 - 電流特性, 當 LED 通過足夠的順向電流時,LED 就會發光,LED 所發出來的光束強度與電流是成正比的圖中虛線區域, 不建議使用, 使用時間過長有燒燬之虞, 不同型號的 LED 其發射束強度亦不同, 圖 9-3 LED 的發射束 - 電流特性讀者在使用前需了解清楚 LED 的用途, 是照明用還是指示用的, 這是有所區分的 229

9-4 LED 的順向峰值電流 - 工作週期比特性 LED 的方向特性如圖 9-5 所示, 為 LED 的方向特性, 因為光線具有指向性, 所以

4 基礎電子實習 LED 的順向峰值電流 - 工作週期比特性如圖 9-4 所示, 為 LED 的順向峰值電流 - 工作週期比特性, 當工作週期越小時, 通過 LED 的順向峰值電流可以加大, 此特性可以利用極小的工作週期, 提高順向電流, 使發射束變強, 以便讓 LED 的光線照到更遠的地方圖 9-4 LED 的順向峰值電流 - 工作週期比特性 LED 的方向特性如圖 9-5 所示, 為 LED 的方向特性, 因為光線具有指向性, 所以 LED 的發射束, 是有方向性的, 不同的外型包裝可以改變發射束的角度, 讀者可以根據使用的場合選擇不同輻射角度的 LED 230 圖 9-5 LED 的方向特性

5 第 9 章其他電氣特性如表 9-1 所示, 為 LED 的電器特性資料, 表 9-2 為 LED 的光特性資料, 不同型號的 LED 有不同的電氣特性, 讀者在使用前必須詳讀才不至於有誤用的情況發生表 9-1 LED 的電器特性資料表 ABSOLUTEMAXIMUMRATINGS AT Ta=25 Characteristic Symbol Rating Unit Pulseforwardcurrent(t 10 s) I MP 1 A Forwarddirectcurrent I FM 100 ma Reversevoltage V RM 5 V Operating temperature Topr 25 to +75 Storage temperature tatg 25 to +100 Power dissipation Pd 200 mw Lead soldering temperature(5mm from body) 260 for 5sec. 表 9-2 LED 的光特性資料表 ELECTRO-OPTICAL CHARACTERISTICS AT Ta = 25 Characteristic Symbol Condition Min Typ. Max Unit Radiantintensity I e I F=500mA mw/sr Forwardvoltage V F I F =100mA V Reversecurrent I R V R =4V 10 A Peakemissionwavelength p I F=50mA 850 nm Spectralbandwidth@50% I F =50mA 42 nm Reversebreakdownvoltage V BR I R =100 A 5 30 V Junction capacitance C o V R =0V, f=1mhz 32 pf Viewing angle 2 I F=50mA 20 Deg 231

基礎電子實習外型與包裝如圖 9-6 為 LED 的符號外型與包裝圖 9-6 LED 的符號外型與包裝發光二極體的使用電阻驅動如圖 9-7 所示, 為 LED 的電阻驅動電路, 由電壓源 V CC 經過限流電阻供給 LED 順向電流, 使得 LED 發光, 查閱 LED 的特性資料, 得知 V F =1.6V 經計算得電晶體驅動 I F = V CC V F R = 5 1.

6 基礎電子實習外型與包裝如圖 9-6 為 LED 的符號外型與包裝圖 9-6 LED 的符號外型與包裝發光二極體的使用電阻驅動如圖 9-7 所示, 為 LED 的電阻驅動電路, 由電壓源 V CC 經過限流電阻供給 LED 順向電流, 使得 LED 發光, 查閱 LED 的特性資料, 得知 V F =1.6V 經計算得電晶體驅動 I F = V CC V F R = (mA) 如圖 9-8 所示, 為 LED 的電晶體驅動電路, 當 SWOFF 時, 電晶體基極無輸入電壓, 使得亮當 SWON 時可得 I B = V CC V BE = =0.13m(A) R B 33k 因此 I C =.I B = m=13m(A) 圖 9-7 LED 的電阻驅動電路 I B =0, 所以 I C =0,LED 無電流通過,LED 不 232

7 第 9 章圖 9-8 LED 的電晶體驅動電路此時 I C 已經超過電晶體飽和所需之電流, 所以 I C 會維持在飽和電流, 使得 LED 亮串聯驅動 V CE =V CEsat =0.2V I C =I Csat = m(A) 若需同時點亮數顆 LED 時, 可以提高電源電壓, 採用串聯驅動的方式如圖 9-9 所示, 為 LED 的串聯驅動電路, 其中驅動電流的算法如下 : 並聯驅動 I F = V CC NV F R =10m(A) = 若需同時點亮數顆 LED, 但是無法提高電源電壓, 則可採用並聯驅動的方式如圖 9-10 所示, 為 LED 的並聯驅動電路, 但是這種驅動方式, 將使得電流增加很多, 總電流為單顆 LED 使用電流量再乘上 LED 的個數,I FT =I F N 圖 9-9 LED 的串聯驅動電路 233

8 基礎電子實習定電流驅動圖 9-10 LED 的並聯驅動電路前面介紹的驅動電路, 若遇到 V CC 電壓變化時, 將影響到流經 LED 的電流大小, 進而影響到 LED 所發射出來的光線, 變化過大的電源電壓, 甚至於會使 LED 燒毀如圖 9-11 為 LED 的定電流驅動, 固定的電流, 可使的 LED 的電流不受到電源電壓變動的影響,I F 電流計算如下 : 算式 V B =3.3V,V E =V B V BE = =2.7(V) I E = V E R = =10m(A) I E I C =I F =10m(A) 由上可知 I F 與 V CC 的變動無關, 但是串聯 LED 個數須符合下列的 N< V CC V E N< N<5.8 V F 取 N=5 圖 9-11 LED 的定電流驅動 234

9 第 9 章二極體閘控電路讀者可以用兩個開關與二極體完成 LED 的邏輯控制, 如圖 9-12 所示, 為二極體及閘電路與真值表, 其動作為 : 只要有一輸入端為 GND 則輸出為 0, 當輸出為 0 時, 電路中 LED 獲得順向電壓,LED 亮圖 9-13 所示, 為二極體或閘電路與真值表, 其動作為只要有一輸入端為 +5V, 則輸出為 +5V, 當輸出為 +5V 時, 電路中 LED 獲得順向電壓, LED 亮 A B LED OFF OFF 暗 V o 5V OFF GND 亮 0.6V GND OFF 亮 0.6V GND GND 亮 0.6V GND=0,OFF=1 圖 9-12 二極體及閘電路與真值表 A B LED V o OFF OFF 暗 0 OFF +5V 亮 4.4V +5V OFF 亮 4.4V +5V +5V 亮 4.4V 圖 9-13 二極體或閘電路與真值表 235

通常用作電子鐘, 計算機和各式儀表的數字顯示圖 9-14 七段數字顯示器的腳位分配與實物相片七段顯示器的分類七段顯示器上面, 日字形的每一節,

10 基礎電子實習 9-2 七段顯示器的認識與使用七段顯示器 (seven-segmentdisplay 簡稱 display) 是最常用的數字顯示器, 裡面共包有 8 顆 LED, 其中有 7 顆排成日字形, 另外一顆是小數點如圖 9-14 所示, 為 8 顆 LED 之編號與排列位置, 剛好可以顯示 0 至 9 和小數點的數值通常用作電子鐘, 計算機和各式儀表的數字顯示圖 9-14 七段數字顯示器的腳位分配與實物相片七段顯示器的分類七段顯示器上面, 日字形的每一節, 都是獨立的發光二極體, 當有順向電流通過, 發光二極體就會發光七段顯示器依內部發光二極體的連結方式, 可分為兩種, 分別是共陰極和共陽極如圖 9-15 所示, 顯示出兩者內部結構上的差異 236

第 9 章圖 9-15 共陰極和共陽極七段數字顯示器內部結構七段顯示器顯示數字的方法使用七段顯示器顯示時, 每一段 LED 應串聯一顆限流電阻, 一般電源為 5V, 則限流電阻為 330, 電源為 12V, 則限流電阻為 1k 如表 9-3 所示, 為共陰極七段顯示器顯示數字的方法, 首先應將 COM 接腳接至地端, 再在適當的位置接上高電位, 即可使七段顯示器發亮如表 9-4

11 第 9 章圖 9-15 共陰極和共陽極七段數字顯示器內部結構七段顯示器顯示數字的方法使用七段顯示器顯示時, 每一段 LED 應串聯一顆限流電阻, 一般電源為 5V, 則限流電阻為 330, 電源為 12V, 則限流電阻為 1k 如表 9-3 所示, 為共陰極七段顯示器顯示數字的方法, 首先應將 COM 接腳接至地端, 再在適當的位置接上高電位, 即可使七段顯示器發亮如表 9-4 所示, 為共陽極七段顯示器顯示數字的方法, 首先應將 COM 接腳接至電源端, 再在適當的位置接上低電位, 即可使七段顯示器發亮表 9-3 共陰極七段顯示器顯示數字的方法數字 a b c d e f g dot com 字形 0 H H H H H H L L GND 1 L H H L L L L L GND 2 H H L H H L H L GND 3 H H H H L L H L GND 4 L H H L L H H L GND 5 H L H H L H H L GND 6 L L H H H H H L GND 7 H H H L L L L L GND 8 H H H H H H H L GND 9 H H H L L H H L GND. L L L L L L L H GND 237

12 基礎電子實習表 9-4 共陽極七段顯示器顯示數字的方法數字 a b c d e f g dot com 字形 0 L L L L L L H H +Vcc 1 H L L H H H H H +Vcc 2 L L H L L H L H +Vcc 3 L L L L H H L H +Vcc 4 H L L H H L L H +Vcc 5 L H L L H L L H +Vcc 6 H H L L L L L H +Vcc 7 L L L H H H H H +Vcc 8 L L L L L L L H +Vcc 9 L L L H H L L H +Vcc. H H H H H H H L +Vcc 七段顯示器的使用如圖 9-16 所示, 為利用開關控制七段顯示器的顯示電路實用上七段顯示器內的 LED 驅動電流約為 10mA, 若驅動電流過大,LED 將燒毀, 所以每一節 LED 必須串聯限流電阻器此電路的功能為 :SW 1 ON 七段顯示器顯示 H,SW 2 ON 七段顯示器顯示 L 共陽極設計原理可以參考表 9-5 所示字形 a b c d e F g dot com H L L L L L +5V L L L L +5V 共陰極設計原理可以參考表 9-6 所示字形 a b c d e F g dot com H H H H H H GND L H H H GND 238

13 第 9 章 (a) 共陽極電路 (b) 共陰極電路圖 9-16 開關控制七段顯示器的顯示電路 239

14 基礎電子實習實習材料項次品名規格數量項次品名規格數量 1 LED 紅電阻器 LED 綠電阻器電晶體 CS 電阻器電晶體 2SC 電阻器 1k 2 5 七段顯示器共陽極 1 14 電阻器 10k 1 6 七段顯示器共陰極 1 15 電阻器 33k 1 7 指撥開關 DIPSW8P 1 16 電阻器 68k 2 8 稽納二極體 3.3V 1 17 電容器 10 F/16V 2 9 二極體 1N 實習儀器與設備指針式三用電表電源供應器實習項目與步驟 1 LED 腳位的測量 240 如圖 9-17 所示, 將三用電表撥至 R 1 檔, 利用電表的測試棒, 交替測量 LED 兩腳 LED 亮 ( 指針偏轉 ) 時, 連接紅色測試棒的接腳為陰極, 黑色測試棒的接腳為陽極, 若交替測量 LED 都不亮 ( 指針不偏轉 ), 代表 LED 已經燒毀再觀察 LED 的外觀, 陽極的接腳 ( 長或短 ), 陰極的接腳 ( 長或短 )

用電流表紀錄使用電流的儀表連接方式電路名稱使用電流 (ma) 3 LED 的應用電路實習 - 閃爍器功能說明如圖 9-19

15 第 9 章圖 9-17 利用指針式三用電表測試 LED 2 LED 的驅動電路實習請任課老師視情況, 指定圖 9-7 至圖 9-11 電路為實習單元請同學完成指定電路, 電路完成後, 利用圖 9-18 之連接方式, 紀錄使用電流圖 9-18 用電流表紀錄使用電流的儀表連接方式電路名稱使用電流 (ma) 3 LED 的應用電路實習 - 閃爍器功能說明如圖 9-19 所示, 為 LED 閃爍器電路, 該電路是利用雙電晶體, 交互控制, 完成自行振盪的功能通上電源, 假設 Q 1 先導通, 此時 C 1 兩端電 241

16 基礎電子實習壓為零, 使得 Q 2 B 腳無偏壓,Q 2 截止, 於是 LED 1 亮 ;LED 2 暗, 經過固定的時間常數後,C 1 充得電壓, 使得 Q 2 導通, 後因 C 2 電容器的反向電壓, 讓 Q 1 截止, 此時 LED 2 亮 ;LED 1 暗, 其來回變化一週的時間 T=0.7(R B1 C 1 +R B2 C 2 ) 圖 9-19 閃爍器電路完成如圖 9-19 所示的電路裝置, 並依公式計算 T= 通上 12V 電源觀察 LED 是否自行交替閃爍, 其閃爍一次時間約 4 七段顯示器腳位的測量取出指針式三用電表, 並將三用電表撥至 R 1 檔共通 (com) 接腳測量 : 以測試棒固定連接一腳, 利用另一支測試棒測量其他接腳, 若能使各段 LED 發亮, 代表固定連接之腳為共通 (com) 腳, 連接此腳的測棒為紅棒, 則代表此七段顯示器為共陰極, 反之為共陽極 ( 若各段 LED 有不發亮的情形, 則代表該段 LED 有燒毀的情形 ) 各段 LED 接腳位置測量, 將測量結果紀錄於下圖中 Display 共陽極編號 : Display 共陰極編號 : 242

17 第 9 章 5 七段顯示器的應用實習 ( 一 ) 完成如圖 9-16 所示的電路裝置通上 5V 電源,SW 1;SW 2 保持 OFF 狀態 SW 1 ON;SW 2 OFF: 七段顯示器顯示 SW 1 OFF;SW 2 ON: 七段顯示器顯示 6 七段顯示器的應用實習 ( 二 ) 請任課老師指定, 附錄中進階實習單元工作單為實習單元完成電路裝置, 並回答進階實習單元工作單中的問題問題與討論寫出你所知道, 可發出不同色光的半導體材料及其所能發出的色光? 請寫出使用 LED 的優點? 若要同時點亮多顆 LED, 可使用何種方法? 哪一種方法可以不用增加電源電流? 若要防止因電源的變動, 影響發射束強度, 應利用哪一種電路處理? 七段顯示器共分哪兩大類? 使用時各要注意哪些事項? 畫出利用二極體, 做成的及閘與或閘電路圖與真值表? 請寫出日常生活中, 運用 LED 或是 Display 的應用例? 請利用 LED 或是 Display 想出一個尚未用在日常生活中, 能便利人類生活的應用構想? 243

18 基礎電子實習選擇題 9-1 ( ) 發光二極體的符號為 (A) (B) (C) (D) ( ) 下列何者具有負電阻特性 (A) 發光二極體 (B) 稽納二極體 (C) 透納二極體 (D) 偏壓二極體 ( ) 下列何者通上電源就可以發光 (A)LCD (B)LED (C)CDS (D)IC ( ) 發光二極體 (LED) 導通時順向電壓降約為 (A)0.3V (B)0.7V (C)1.6V (D)5V ( ) LED 發光顏色與下列何者有關 (A) 外加電壓大小 (B) 外加電壓頻率 (C) 材料能帶間隙 (D) 通過電流大小 ( ) 下列哪一種元件不適合做感測器 (A) 應變器 (B) 熱電耦 (C) 光電晶體 (D)LED ( ) 共陰極七段顯示器 COM 腳正常使用時應 (A) 接正電源 (B) 接地 (C) 空接 (D) 不一定 ( ) 七段顯示器欲顯示 5 哪幾段 LED 需亮起來 (A)abdef (B)acdfg (C)acdeg (D)acefg ( ) 砷化鎵 (GaAs) 的 LED 能發出 (A) 綠光 (B) 黃光 (C) 藍光 (D) 紅光 ( ) 七段顯示器內共有幾顆 LED (A)6 (B)7 (C)8 (D)9 244

ch05

ch05 物理系光電組二年級電子學單元七 BJT 電晶體授課老師 : 輔仁大學物理系副教授張敏娟 2015 spring 1 物理系光電組二年級電子學單元七 BJT 電晶體 BJT 電晶體基本原理 1 BJT 電晶體把 N 型和 P 型半導體, 再組合, 變成電晶體 BJT 電晶體是一個把訊號放大的元件 3 BJT 電晶體三端元件 4 BJT 有兩種組成 NPN 型 PNP 型 5 N