✔ Тип документа:
Учебно-методическое пособие, содержащее полный комплект лабораторных и практических работ по курсу фотоэлектронной и оптоэлектронной техники для студентов средних профессиональных учебных заведений радиотехнического профиля.
✔ Целевая аудитория:
Студенты колледжей и техникумов, обучающиеся по специальности «Монтаж, техническое обслуживание и ремонт электронных приборов и устройств», осваивающие дисциплину профессионального цикла в области оптоэлектроники.
✔ Основная цель пособия:
Закрепление теоретических знаний и формирование практических навыков исследования, измерения параметров и применения приборов фото- и оптоэлектронной техники, развитие умений работать с измерительным оборудованием и анализировать полученные результаты.
✔ Структура и содержание документа:
Общие положения:
Перечень знаний и умений, формируемых в ходе практических занятий.
Правила проведения практических занятий (подготовка, отчётность, пропуски).
Требования к оформлению отчёта по лабораторной работе (номер, цель, задание, оборудование, схема, расчёты, выводы).
Детальные критерии оценивания лабораторных работ и практических заданий по 5-балльной системе с описанием требований к каждой оценке.
Тематика лабораторных работ (12 работ):
Лабораторная работа № 1 — Исследование фоторезистора:
Изучение маркировки, основных параметров и практического применения фоторезисторов (ФСК, ФСА, ФСД, ФР, СФ, ФПФ).
Расшифровка маркировки, заполнение таблицы параметров.
Лабораторная работа № 2 — Исследование фотодиода:
Изучение назначения, условных обозначений и параметров фотодиодов (ФДК, ФД-10К, ФД-21-КП, ФД-К-155, ФД265А).
Расшифровка маркировки, заполнение таблицы основных параметров.
Лабораторная работа № 3 — Исследование фототранзистора:
Изучение конструкции, преимуществ и недостатков фототранзисторов.
Вычерчивание конструкции и выписывание технических параметров двух типов.
Определение основных параметров (темновой ток, интегральная и спектральная чувствительность, быстродействие).
Лабораторная работа № 4 — Исследование фотопрерывателя:
Изучение принципа действия и применения (робототехника, офисная техника, сканеры, дисководы).
Начертание схемы фотопрерывателя (ИК-светодиод + фототранзистор).
Лабораторная работа № 5 — Исследование фотоотражателя:
Изучение классификации по форме и цвету (белый, чёрный, серебристый, золотистый) и их назначения.
Принцип отражения света для коррекции освещения при фотосъёмке.
Лабораторная работа № 6 — Исследование светодиода:
Изучение конструкции, принципа работы (рекомбинация электронов и дырок, когерентное/некогерентное излучение).
Выписывание основных параметров светодиодов из таблиц (АЛ307, АЛ336, КИПД, АЛС).
Начертание конструкции малогабаритного излучающего диода.
Лабораторная работа № 7 — Исследование полупроводникового лазера:
Изучение устройства (оптический резонатор, когерентный свет, вынужденная рекомбинация).
Расчёт тока накачки и выходной мощности по формулам.
Построение графиков P = f(I) и температурной характеристики λ = f(T).
Лабораторная работа № 8 — Исследование оптрона:
Изучение устройства и принципа действия (излучатель + фотоприёмник в одном корпусе, гальваническая развязка).
Экспериментальное исследование передаточной характеристики (зависимость выходного тока от входного) и АЧХ оптрона.
Расчёт коэффициента передачи по току (CTR).
Исследование электрической изоляции (входной и выходной контуры не имеют гальванической связи).
Лабораторная работа № 9 — Исследование передачи информации по оптическому каналу связи:
Изучение преимуществ оптоволоконной связи перед металлическими проводами (полоса пропускания, потери, шумы, безопасность).
Исследование АЧХ оптоволоконного кабеля.
Поиск неисправностей в оптоволоконной системе (обрыв, короткое замыкание диода).
Лабораторная работа № 10 — Освоение работы с оптическим тестером «Электроника ОТ-6»:
Изучение устройства, электрических и оптических параметров (диапазон измеряемых затуханий 0–35 дБ, мощность 0,15·10⁻³–10⁻⁹ Вт, длина волны 0,85 мкм).
Освоение методики подготовки тестера к работе и проведения измерений средней мощности излучения и затухания в волоконно-оптическом кабеле.
Исследование диаграммы направленности светодиодов (АЛ107Б, АЛ119) с помощью лабораторной установки.
Лабораторная работа № 11 — Исследование алфавитно-цифрового индикатора:
Изучение принципа работы точечно-матричного дисплея 5x7 (мультиплексирование колонок).
Исследование шестнадцатеричного дисплея TIL-311 (суммирующий и вычитающий счётчики).
Получение временных диаграмм, анализ циклов счёта и длительности включения светодиодов.
Лабораторная работа № 12 — Исследование ЖК-дисплея:
Изучение структуры и принципа работы жидкокристаллических индикаторов (эффект динамического рассеяния, пассивные элементы).
Исследование влияния напряжения и частоты на качество изображения.
Сравнение ЖКД и светодиодных дисплеев по энергопотреблению и условиям применения.
Тематика практических занятий (4 занятия):
Практическое занятие № 1 — Выполнение расчётов фотоэффекта:
Изучение формулы Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: hν = A + mv²/2.
Расчёт энергии фотона, работы выхода, длины волны красной границы.
Решение задач на определение характеристик оптического кванта.
Практическое занятие № 2 — Изучение состава и работы стенда контроля параметров фотоприёмника ИК-диапазона:
Работа с технической информацией, анализ современных измерительных стендов (SBIR RTB 3000 и др.).
Зарисовка схем тестирования ИК-приборов и выписывание ключевых терминов.
Практическое занятие № 3 — Проведение проверки и контроля параметров ИК-фотоприемников и матриц:
Изучение методик измерения основных параметров (темновой ток, сопротивление, ёмкость, чувствительность, шумы, частотные характеристики).
Посещение экскурсии на предприятие ОАО «НПО «Орион» (при возможности) и составление алгоритма контроля параметров ИК-матриц.
Практическое занятие № 4 — Сравнительный анализ характеристик полупроводникового лазера и светодиодов:
Заполнение сравнительной таблицы по 12 параметрам (потребляемая мощность, пороговый ток, выходная мощность, яркость, ширина спектра, ширина полосы частот, срок службы, стоимость).
Анализ преимуществ и недостатков СИД и лазеров для применения в оптоволоконных системах связи.
✔ Типы учебных заданий:
Расшифровка маркировки — изучение системы обозначений приборов.
Заполнение таблиц — систематизация параметров фото- и оптоэлектронных приборов.
Расчётные задачи — применение формулы Эйнштейна, расчёт мощности и тока лазера.
Построение графиков — визуализация зависимостей P = f(I), λ = f(T), АЧХ оптрона и оптоволокна.
Экспериментальные исследования — сборка схем, измерения мультиметром и осциллографом, анализ осциллограмм.
Поиск неисправностей — диагностика отказов в электрических цепях.
Сравнительный анализ — сопоставление характеристик различных типов приборов.
✔ Ключевые теоретические понятия:
Внешний и внутренний фотоэффект, фотопроводимость, вентильный фотоэффект.
Квантовый выход, красная граница фотоэффекта, работа выхода.
Фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
Фотопрерыватель, фотоотражатель, оптрон, оптический тестер.
Светодиод (СИД) — некогерентное излучение; полупроводниковый лазер — когерентное излучение, вынужденная рекомбинация.
ЖК-дисплей (жидкие кристаллы, эффект динамического рассеяния).
Точечно-матричный дисплей (мультиплексирование, декодер, счётчик).
Волоконно-оптический кабель — преимущества перед металлическими проводами.
✔ Практико-ориентированная направленность:
Все лабораторные работы выполняются на реальном оборудовании (лабораторный стенд PU-2000, печатные платы EB-114/EB-115, осциллограф, генератор сигналов, оптический тестер ОТ-6). Это позволяет студентам:
Научиться собирать измерительные схемы.
Проводить реальные измерения параметров оптоэлектронных приборов.
Осваивать работу с профессиональным измерительным оборудованием.
Получать навыки поиска и устранения неисправностей.
Формировать практические компетенции для работы в сфере монтажа и обслуживания электронных приборов и устройств.
✔ Методическая ценность для преподавателя:
Пособие представляет собой готовый к использованию практикум по оптоэлектронике. Оно включает:
12 лабораторных работ и 4 практических занятия с чёткими целями и продолжительностью.
Подробные теоретические сведения по каждому прибору.
Пошаговые инструкции по выполнению экспериментов с описанием соединений, настроек приборов и таблиц для записи результатов.
Контрольные вопросы для проверки усвоения материала.
Требования к оформлению отчёта и критерии оценивания.
Список рекомендуемой литературы (основной, дополнительной и электронных ресурсов).
✔ Итоговая образовательная задача:
Сформировать у студентов профессиональные компетенции в области фото- и оптоэлектронной техники: понимание физических принципов работы приборов, умение их идентифицировать по маркировке, измерять основные параметры, анализировать характеристики, подбирать для конкретных применений и обслуживать устройства оптоэлектроники и волоконно-оптических систем связи, что обеспечивает их готовность к практической деятельности по специальности.
Требования к оформлению отчёта по лабораторной работе (номер, цель, задание, оборудование, схема, расчёты, выводы).
Детальные критерии оценивания лабораторных работ и практических заданий по 5-балльной системе с описанием требований к каждой оценке.
Тематика лабораторных работ (12 работ):
Лабораторная работа № 1 — Исследование фоторезистора:
Изучение маркировки, основных параметров и практического применения фоторезисторов (ФСК, ФСА, ФСД, ФР, СФ, ФПФ).
Расшифровка маркировки, заполнение таблицы параметров.
Лабораторная работа № 2 — Исследование фотодиода:
Изучение назначения, условных обозначений и параметров фотодиодов (ФДК, ФД-10К, ФД-21-КП, ФД-К-155, ФД265А).
Расшифровка маркировки, заполнение таблицы основных параметров.
Лабораторная работа № 3 — Исследование фототранзистора:
Изучение конструкции, преимуществ и недостатков фототранзисторов.
Вычерчивание конструкции и выписывание технических параметров двух типов.
Определение основных параметров (темновой ток, интегральная и спектральная чувствительность, быстродействие).
Лабораторная работа № 4 — Исследование фотопрерывателя:
Изучение принципа действия и применения (робототехника, офисная техника, сканеры, дисководы).
Начертание схемы фотопрерывателя (ИК-светодиод + фототранзистор).
Лабораторная работа № 5 — Исследование фотоотражателя:
Изучение классификации по форме и цвету (белый, чёрный, серебристый, золотистый) и их назначения.
Принцип отражения света для коррекции освещения при фотосъёмке.
Лабораторная работа № 6 — Исследование светодиода:
Изучение конструкции, принципа работы (рекомбинация электронов и дырок, когерентное/некогерентное излучение).
Выписывание основных параметров светодиодов из таблиц (АЛ307, АЛ336, КИПД, АЛС).
Начертание конструкции малогабаритного излучающего диода.
Лабораторная работа № 7 — Исследование полупроводникового лазера:
Изучение устройства (оптический резонатор, когерентный свет, вынужденная рекомбинация).
Расчёт тока накачки и выходной мощности по формулам.
Построение графиков P = f(I) и температурной характеристики λ = f(T).
Лабораторная работа № 8 — Исследование оптрона:
Изучение устройства и принципа действия (излучатель + фотоприёмник в одном корпусе, гальваническая развязка).
Экспериментальное исследование передаточной характеристики (зависимость выходного тока от входного) и АЧХ оптрона.
Расчёт коэффициента передачи по току (CTR).
Исследование электрической изоляции (входной и выходной контуры не имеют гальванической связи).
Лабораторная работа № 9 — Исследование передачи информации по оптическому каналу связи:
Изучение преимуществ оптоволоконной связи перед металлическими проводами (полоса пропускания, потери, шумы, безопасность).
Исследование АЧХ оптоволоконного кабеля.
Поиск неисправностей в оптоволоконной системе (обрыв, короткое замыкание диода).
Лабораторная работа № 10 — Освоение работы с оптическим тестером «Электроника ОТ-6»:
Изучение устройства, электрических и оптических параметров (диапазон измеряемых затуханий 0–35 дБ, мощность 0,15·10⁻³–10⁻⁹ Вт, длина волны 0,85 мкм).
Освоение методики подготовки тестера к работе и проведения измерений средней мощности излучения и затухания в волоконно-оптическом кабеле.
Исследование диаграммы направленности светодиодов (АЛ107Б, АЛ119) с помощью лабораторной установки.
Лабораторная работа № 11 — Исследование алфавитно-цифрового индикатора:
Изучение принципа работы точечно-матричного дисплея 5x7 (мультиплексирование колонок).
Исследование шестнадцатеричного дисплея TIL-311 (суммирующий и вычитающий счётчики).
Получение временных диаграмм, анализ циклов счёта и длительности включения светодиодов.
Лабораторная работа № 12 — Исследование ЖК-дисплея:
Изучение структуры и принципа работы жидкокристаллических индикаторов (эффект динамического рассеяния, пассивные элементы).
Исследование влияния напряжения и частоты на качество изображения.
Сравнение ЖКД и светодиодных дисплеев по энергопотреблению и условиям применения.
Тематика практических занятий (4 занятия):
Практическое занятие № 1 — Выполнение расчётов фотоэффекта:
Изучение формулы Эйнштейна для внешнего фотоэффекта: hν = A + mv²/2.
Расчёт энергии фотона, работы выхода, длины волны красной границы.
Решение задач на определение характеристик оптического кванта.
Практическое занятие № 2 — Изучение состава и работы стенда контроля параметров фотоприёмника ИК-диапазона:
Работа с технической информацией, анализ современных измерительных стендов (SBIR RTB 3000 и др.).
Зарисовка схем тестирования ИК-приборов и выписывание ключевых терминов.
Практическое занятие № 3 — Проведение проверки и контроля параметров ИК-фотоприемников и матриц:
Изучение методик измерения основных параметров (темновой ток, сопротивление, ёмкость, чувствительность, шумы, частотные характеристики).
Посещение экскурсии на предприятие ОАО «НПО «Орион» (при возможности) и составление алгоритма контроля параметров ИК-матриц.
Практическое занятие № 4 — Сравнительный анализ характеристик полупроводникового лазера и светодиодов:
Заполнение сравнительной таблицы по 12 параметрам (потребляемая мощность, пороговый ток, выходная мощность, яркость, ширина спектра, ширина полосы частот, срок службы, стоимость).
Анализ преимуществ и недостатков СИД и лазеров для применения в оптоволоконных системах связи.
✔ Типы учебных заданий:
Расшифровка маркировки — изучение системы обозначений приборов.
Заполнение таблиц — систематизация параметров фото- и оптоэлектронных приборов.
Расчётные задачи — применение формулы Эйнштейна, расчёт мощности и тока лазера.
Построение графиков — визуализация зависимостей P = f(I), λ = f(T), АЧХ оптрона и оптоволокна.
Экспериментальные исследования — сборка схем, измерения мультиметром и осциллографом, анализ осциллограмм.
Поиск неисправностей — диагностика отказов в электрических цепях.
Сравнительный анализ — сопоставление характеристик различных типов приборов.
✔ Ключевые теоретические понятия:
Внешний и внутренний фотоэффект, фотопроводимость, вентильный фотоэффект.
Квантовый выход, красная граница фотоэффекта, работа выхода.
Фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
Фотопрерыватель, фотоотражатель, оптрон, оптический тестер.
Светодиод (СИД) — некогерентное излучение; полупроводниковый лазер — когерентное излучение, вынужденная рекомбинация.
ЖК-дисплей (жидкие кристаллы, эффект динамического рассеяния).
Точечно-матричный дисплей (мультиплексирование, декодер, счётчик).
Волоконно-оптический кабель — преимущества перед металлическими проводами.
✔ Практико-ориентированная направленность:
Все лабораторные работы выполняются на реальном оборудовании (лабораторный стенд PU-2000, печатные платы EB-114/EB-115, осциллограф, генератор сигналов, оптический тестер ОТ-6). Это позволяет студентам:
Научиться собирать измерительные схемы.
Проводить реальные измерения параметров оптоэлектронных приборов.
Осваивать работу с профессиональным измерительным оборудованием.
Получать навыки поиска и устранения неисправностей.
Формировать практические компетенции для работы в сфере монтажа и обслуживания электронных приборов и устройств.
✔ Методическая ценность для преподавателя:
Пособие представляет собой готовый к использованию практикум по оптоэлектронике. Оно включает:
12 лабораторных работ и 4 практических занятия с чёткими целями и продолжительностью.
Подробные теоретические сведения по каждому прибору.
Пошаговые инструкции по выполнению экспериментов с описанием соединений, настроек приборов и таблиц для записи результатов.
Контрольные вопросы для проверки усвоения материала.
Требования к оформлению отчёта и критерии оценивания.
Список рекомендуемой литературы (основной, дополнительной и электронных ресурсов).
✔ Итоговая образовательная задача:
Сформировать у студентов профессиональные компетенции в области фото- и оптоэлектронной техники: понимание физических принципов работы приборов, умение их идентифицировать по маркировке, измерять основные параметры, анализировать характеристики, подбирать для конкретных применений и обслуживать устройства оптоэлектроники и волоконно-оптических систем связи, что обеспечивает их готовность к практической деятельности по специальности.
✅