В статье рассматриваются вопросы измерения вольт-амперных характеристик полупроводникового фотодиода с использованием аппаратной платформы Arduino. Предложена структурная схемы включения полупроводникового фотодиода в измерительную цепь. Приводится функциональное описание и технические характеристики на примере платы Arduino Nano.
Ключевые слова: аппаратная вычислительная платформа Arduino, измерение ВАХ, полупроводниковый фотодиод, функциональное описание, структурная схема.
В настоящее время существует множество специализированных учебных стендов для изучения ВАХ характеристик различных радиоэлементов. На рынке продаж представлен богатый выбор специализированного стендового оборудования. Однако их использование имеет ряд недостатков:
1) специализированные стенды достаточно громоздки;
2) множество стендов выполнено на устаревшей аналоговой технике;
3) высокая стоимость специализированных стендов.
Заменой специализированного стендового оборудования может послужить стенд, собранный на основе аппаратной вычислительной платформе Arduino. С ее помощью можно легко получить и обработать результаты измерений.
Несомненная выгода от использования Arduino в обучении выражается следующими факторами:
1) Экономическая доступность;
2) Простота освоения среды разработки;
3) Большой выбор датчиков, устройств индикации и исполнительных механизмов;
4) Использование в разработке программного обеспечения языка программирования на основе C++;
5) Методическое обеспечение, большой выбор литературы, существует активное сообщество пользователей и множество форумов с подробными руководствами;
6) Широкая распространенность платформы: от использования систем автоматизации на платформе Arduino в быту до применения в научных исследованиях;
7) Проект Arduino развивался изначально как образовательный, поэтому он отлично подходит для использования, как в аудиторной, так и внеаудиторной деятельности [1, с. 3].
Вольт-амперная характеристика показывает зависимость тока от напряжения на радиоэлементе. Полупроводниковый фотодиод в схеме измерения включается в фотогальваническом режиме. Также возможно использование фотодиодного режима.
Фотогальванический режим осуществляется без подключения внешнего напряжения. Ему соответствует квадрант 4 вольтамперной характеристики.
Фотодиодный режим реализуется при приложении к p-n переходу обратного напряжения смещения. Ему соответствует 3 квадрант вольтамперной характеристики. При последовательном подключении нагрузки между p-n переходом и источником питания, в нагрузке протекает фототок, пропорциональный интенсивности освещения. Вольт-амперная характеристика полупроводникового фотодиода представлена на рисунке 1.
Рис. 1. ВАХ фотодиода
Структурная схема измерительного стенда приведена на рисунке 2. В зависимости от режима включения фотодиода структурная схема видоизменяется. На схеме фотодиод включен в фотогальваническом режиме.
Рис. 2. Структурная схема измерительного стенда
При помощи микроконтроллера задается необходимое напряжение на регулируемом стабилизаторе напряжения излучателя и приемника излучения. Излучатель с заданным напряжением генерирует излучение необходимой мощности. Сгенерированное излучение направляется на исследуемый фотодиод. Напряжение с эталонной нагрузки подается на встроенный аналого-цифровой преобразователь Arduino, после чего обрабатывается микроконтроллером. Зная сопротивление нагрузки микроконтроллер вычислит ток, протекающий через нагрузку. Результаты измерения ВАХ фотодиода выводятся на блок вывода информации. Возможен вывод как текстовой информации, так и графика, построенного в автоматическом режиме. Также возможен вывод результатов измерения на персональный компьютер.
Недостатки измерительного стенда:
1) малый диапазон измеряемых напряжений (от 0 до 5В);
2) необходимость усиления малых токов фотодиода, включенном в фотодиодном режиме;
Литература:
- [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://interactive-plus.ru/e-articles/193/Action193–15499.pdf Максимов П. В. Применение ARDUINO в обучении прикладному программированию [Текст] / П. В. Максимов, Ю. В. Корнилов // Педагогический опыт: теория, методика, практика: материалы V Междунар. науч.-практ. конф. (Чебоксары, 25 дек. 2015 г.) / редкол.: О. Н. Широков [и др.]. — Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2015. — № 4 (5). — С. 461–463. — ISSN 2412–0529.
