Дослідження фотоелементів та фотореле

Мета роботи – Вивчити конструкцію, принцип роботи і характеристики різних фотоелектричних приладів, ознайомитись зі схемою фотореле.

Вказівки до виконання роботи

1. Перед виконанням роботи необхідно уважно ознайомитися з лабораторним стендом, з'ясувати призначення перемикачів|, визначити, де знаходяться досліджувані прилади на схемі, відкрити вікно в стенді і розгледіти прилади, встановлені за світлочутливим екраном.

2. Встановити ручки регулювальників напруги на стенді в крайнє ліве положення. Включити тумблери вибору світлового потоку F₁ , F₂ в нейтральне положення. Підключити шнур живлення в розетку з напругою 220В.

3. Включити стенд тумблером "МЕРЕЖА" ; при цьому спалахує сигнальна лампочка.

4. Схеми зібрати за допомогою відповідних перемикачів (тумблерів). Величина напруги, необхідної для зняття характеристик, встановлюється за допомогою відповідного потенціометра, а світлового потоку - перемикачами, розташованими під вікном з фотоелементами.

Порядок виконання роботи

1. Зібрати схему дослідження вакуумного фотоелемента СЦВ-3 (рис. 6.1).

Рис.6.1.

2. Зняти вольтамперні характеристики: при для двох значень світлового потоку: F₁ та F₂ . Отримані результати занести в табл.6.1.

Таблиця 6.1.

	Ua, В
F₁	Ia, мкА
F₂	Ia, мкА

3. Побудувати на одному графіку обидві вольтамперні характеристики і розрахувати динамічну чутливість фотоелемента при F1 = 0,3 лм і F2 = 0,6 лм.

4. Зібрати схему дослідження газонаповненого фотоелемента ЦГ-3
(рис. 6.2).

Рис.6.2.

5. Виконати дослідження відповідно до пп. 2 і 3 для газонаповненого фотоелемента (результати занести до таблиці 6.2).

Таблиця 6.2.

Ua, В
F₁	Ia, мкА
F₂	Ia, мкА

6. Зібрати схему дослідження фоторезистора ФСК-Г1 (рис. 6.3).

Рис.6.3.

7. Зняти вольтамперні характеристики: при для двох значень світлового потоку: F1 і F2 . Отримані результати занести до
таблиці 6.3.

Таблиця 6.3

U, В
F₁	I, мкА
F₂	I, мкА

8. Побудувати на одному графіку зняті характеристики фоторезистора. Розрахувати динамічну чутливість фоторезистора при напрузі, рівній 50В.

9. Зібрати схему дослідження фотодіода ФД-1 при роботі у фотогенераторному режимі (рис.6.4).

10. Зняти характеристики навантажень: значень світлового потоку: при для двох значень світлового потоку: F1 і F2.

Отримані результати занести в таблиці. 6.4.

Таблиця 6.4

Rн, кОм		5,1	0,1
F₁	Iн, мкА
Uн, мВ
F₂	Iн, мкА
Uн, мВ

Рис.6.4.

11. Побудувати на одному графіку характеристики навантажень. Розрахувати динамічну чутливість при Rн =5,1 кОм.

12. Розрахувати і побудувати зовнішню характеристику фотогенератора при для двох значень світлового потоку: F1 і F2..

13. Зібрати схему дослідження фотодіода ФД-1 у фотоперетворювальному режимі (рис.6.5).

Рис.6.5.

14. Зняти характеристику навантаження при і для двох значень світлового потоку: F1 і F2 і зворотної напруги Е_зв= 10 В. Отриманірезультати занести до таблиці. 6.5.

Таблиця 6.5

Rн, кОм		5,1	0,1
F₁	Iн, мкА
Uн, мВ
F₂	Iн, мкА
Uн, мВ

15. Побудувати навантажувальні характеристики на одному графіку. Виконати їх порівняльний аналіз.

16. За даними п.14 розрахувати і побудувати вольтамперну характеристику фотодіода ФД-1 для світлового потоку F1 : при .

17. Зібрати схему дослідження фотореле (рис.6.6.).

19. Зробити висновки по роботі.

Рис.6.6.

Теоретичні відомості

До фотоелементів відносяться прилади, що перетворюють енергію оптичних випромінювань (зокрема, світлових) в електричний струм.

Розрізняють фотоелементи із зовнішнім і внутрішнім фотоефектами. В основі зовнішнього фотоефекту лежить явище фотоелектронної емісії, в результаті якої кванти випромінювання оптичного спектру викликають вихід електронів з поверхневих шарів речовини. Внутрішній фотоефект має місце, коли кванти випромінювання збільшують число вільних носіїв зарядів в речовині. Внутрішній фотоефект приводить до зміни провідності речовини або до виникнення в приладі внутрішньої ЕДС.

Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом.. Дія цих фотоелементів заснована явищі на фотоелектронній емісії. Згідно квантової теорії світла світловим потоком є потік фотонів (квантів електромагнітної енергії). Проникаючи в метал, фотони взаємодіють з електронами, віддаючи їм свою енергію. Якщо енергія кванта буде досить великою, електрон може покинути метал. Умови фотоелектронної емісії (закон Ейнштейна) записуються таким чином:

де Е - енергія, якою володів електрон в металі до взаємодії з квантом; hν - енергія кванта;W_o- потенційний бар'єр на кордоні метал - вакуум (робота виходу).

Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом бувають двох типів: вакуумні і газонаповнені.

Пристрій вакуумного фотоелемента показаний на рис.6.7,а.. У вакуумній скляній колбі розміщені катод К і анод А . Катод у вигляді тонкого шару світлочутливого матеріалу нанесений на внутрішній поверхні скляної колби. Анод виконується у вигляді кільця, щоб був вільним шлях світлового потока до катода. Електрони, які імітує фотокатод, вирушають до анода під дією електричного поля, яке створюється анодною напругою.

а) б)

Рис.6.7.

Газонаповнені фотоелементи (рис.6.7,б) відрізняються від вакуумних тим, що вони заповнені деякою кількістю інертного газу для збільшення струму за рахунок виникнення несамостійного газового розряду. Про якість фотоелемента судять за його характеристиками та параметрами.

Вольтамперна характеристика показує залежність струму фотоелемента від значення анодної напруги при постійному світловому потоці:

На мал. 6.8 показані вольтамперные характеристики для різних ., світлових потоків для вакуумного фотоелемента (криві 1,1" і 1") і газонаповненого фотоелемента (криві 2,2', 2"). На першому ступені підйому напруги фотострум наростає швидко, що обумовлене зростаючим фокусуючим полем. Коли всі електрони, які імітуються катодом, досягають анода, настає режим насичення (у вакуумних фотоелементах).

Рис.1.8.

У газонаповнених фотоелементах немає явно вираженої зони насичення. При збільшенні струму I_а до значення емісії фотокатода крива злегка загинається, але при подальшому збільшенні анодної напруги струм починає збільшуватися завдяки виникненню несамостійного темнового розряду в газі. Відношення струму при робочому режимі в газонаповненому фотоелементі до струму насичення, який визначається початком вигину характеристики, називається коефіцієнтом газового посилення.

Розряд залишається несамостійним до тих пір, поки напруга на аноді не досягне напруги запалення U_з, при якому у фотоелементі виникає самостійний тліючий розряд, що приводить до псування катода. Тому у всіх випадках роботи з газонаповненим фотоелементом необхідно, щоб .

Основною характеристикою фотоелемента є світлова характеристика, що показує залежність струму фотоелемента від світлового потоку при постійній анодній напрузі (рис.6.9).

Рис.1.9.

Рис.6.8. Рис.6.9.

Світлова характеристика (рис.6.9) – показує залежність струму фотоелемента від величини світлового потоку при сталій анодній напрузі.

Фотоелементи зазвичай використовуються для того, щоб без спотворення перетворити зміни світлового потоку в електричний струм, тому, лінійність світлової характеристики є одним з основних вимог, що пред'являються до фотоелементів

Основним параметром фотоелемента є його чутливість.

1. Коефіцієнт динамічної чутливості визначає зміну анодного струму при зміні падаючого на фотокатод (ФК) світлового потоку на 1лм при незмінному спектрі цього випромінювання: ,

де І₂, І₁ – значення фотоструму фотоелемента, виміряних при однаковій напрузі і світлових потоках F₂ і F₁ .

2. Інтегральна чутливість характеризує здатність фотоелементу реагувати на весь світловий потік (або на весь спектр падаючого випромінювання).

3. Спектральна чутливість характеризує здатність фотоелемента реагувати на світлові коливання певної частоти.

Кількісно чутливість визначає фотострум, що створюється у фотоелементі світловим потоком в 1 лм, і вимірюється в мікроамперах на люмен на прямолінійній ділянці світлової характеристики, мкА/лм;

До фотоелементів з внутрішнім фотоефектом відносяться напівпровідникові фотоелементи, що змінюють під дією світла свій опір за рахунок збільшення числа вільних носіїв (електронів і дірок). Отримуючи енергію від світлового потоку, електрони переходять в зону провідності. Якщо до кінців такого напівпровідника прикласти різницю потенціалів, то значення струму, що протікає в колі, залежатиме від освітленості. На відміну від електровакуумних фотоелементів резистори мають двосторонню провідність. Промислові типи фоторезисторів виготовляються з сірчистого свинцю, сірчистого вісмуту, сірчистого кадмію.

Вольтамперна характеристика фоторезистора лінійна (рис.6.10). Для оцінки фоторезистора користуються поняттям питомої чутливості :

Кс - інтегральна чутливість, віднесена до 1 В прикладеної напруги.

За вольтамперними характеристиками визначають світловий опір R_св: ,

де - струм, що виникає під дією світлового потоку;

і темновий опір R_т: ,

де - струм при F = 0.

Світлова характеристика фоторезистора (рис. 6.11) нелінійна.

Рис.6.10. Рис.6.11.

В порівнянні з електровакуумними фотоелементами фоторезистори мають велику чутливість, малі габаритні розміри і характеризуються відносно невеликою зміною параметрів від часу. Тому вони широко застосовуються в якості світлових датчиків. Їх недоліки: інерційність; відсутність прямої пропорційної залежності між фотоструму і освітленістю, залежність від температури навколишнього середовища. Фоторезистори широко застосовуються у фоторелейних схемах. Властивість фоторезистора - різка зміна опору при переході від затемненого стану до освітленого, при відносно малих змінах світлового потоку, використовується для управління електромагнітним реле.

Принцип роботи фотодіода заснований на виникненні ЕРС при освітленні електронно-діркового переходу.

Фотодіоди складаються з двох домішкових напівпровідників з різними типами електричної провідності, на кордоні між якими створюється р-n перехід. Якщо р-п перехід піддати опроміненню, то кванти світла, руйнуючи ковалентні зв'язки, створюватимуть нові пари електрон-дірка. Під дією поля
р-п переходу ці заряди швидко розділяються: електрони вирушають в n-напівпроводник, дірки - в р-напівпроводник. У зовнішньому колі з'явиться струм, а на опорі навантаження - напруга. Струм в навантаженні називається фотострумом, а напруга на навантаженні - фотоЭРС.

Режим роботи, при якому відбувається пряме перетворення світлової енергії в електричну, називається фотогенераторним режимом (див. схему на рис. 6.4).

Фотодіоди можуть бути використані в колах із зовнішнім джерелом Е, в так званому фотоперетворюючому режимі, із зворотним включенням (рис.6.5).

Інтегральна чутливість напівпровідникових фотоелементів значно вища, ніж у фотоелементів із зовнішнім фотоефектом.

Фотоелементи широко застосовуються в пристроях промислової електроніки для контролю стану освітлення, положення нагрітих тіл в просторі, прозорості середовища, розмірів виробів, якості обробки їх поверхонь і так далі.

Контрольні питання для самоперевірки

1. Основні характеристики і параметри фотоелементів.

2. Поясніть вольтамперні характеристики вакуумного і газонаповненного фотоелементів, порівняйте їх.

3. Що визначає спектральна характеристика фотоелемента?

4. Поясніть світлові характеристики фотоелементів.

5. Причини виникнення темнового струму.

6. Який фотоелемент забезпечує найбільшу лінійність світлової характеристики?

7. Принцип роботи фоторезистору.

8. Поясніть роботу фотодіода у фотогенераторному і фотоперетворювальному режимах.

9. Вольтамперна характеристика фотодіода.

10. Види фотоефекту. Закони фотоемісії.

11. Що таке спектральна чутливість фотоелемента?

12. Що таке інтегральна чутливість?

13. Назвіть сфери застосування фотоелементів.

Лабораторна робота № 7

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 Следующая ⇒