Опис лабораторної установки

Структурна схема лабораторної установки (рис. 6.3) містить п’єзодатчик з кераміки ЦТС-23; генератор Г3-109; вольтметр В3-38.

Рис. 6.3. Структурна схема лабораторної установки

Експериментальна частина роботи полягає у визначенні амплітудно-частотної характеристики п'єзоелектричного датчика сили, визначенні його резонансної частоти в трансформаторному режимі і вивченні принципу дії датчика.

Рис. 6.4. Схема роботи п’єзодатчика

2. Порядок виконання роботи

1. Підготовка до роботи:

а) перевірити правильність електричних з'єднань лабораторної установки відповідно до рис. 6.3;

б) включити генератор Г3-109, дати йому прогрітися 5 хв;

в) включити вольтметр В3-38.

2. Проведення вимірювань АЧХ:

а) встановити значення напруги з генератора Г3-109 на рівні 1 В;

б) визначити амплітудно-частотну характеристику п'єзоелектричного датчика сили трансформаторного типу без навантаження;

в) дані вимірювань занести в таблицю:

f, кГц	20	…	…	…	…	…	…	…	…	200
U, В
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…

г) визначити амплітудно-частотну характеристику п'єзоелектричного датчика сили трансформаторного типу під різними механічними навантаженнями;

д) дані вимірювань занести в таблицю;

е) замалювати графік залежності U(f) під дією різних механічних навантажень.

3. ЗМІСТ ЗВІТУ

1. Тема і мета роботи.

2. Перелік використаного обладнання.

3. Короткий зміст теоретичних відомостей, основні формули, схема лабораторної установки

4. Робочі таблиці, графіки.

5. Висновок.

4. Контрольні питання

1. Що таке датчик?

2. Які принципи лежать в основі роботи датчиків сили?

3. Розкажіть про принцип роботи резонансного контактного перетворювача.

4. Дайте пояснення характерним точкам на АЧХ резонансного контактного перетворювача

5. Література

1. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. – М.: Техносфера, 2006. – 632 с.

Лабораторна робота № 7 дослідження фотоелектричного напівпровідникового перетворювача

Мета роботи: ознайомитися з принципом роботи фотоелектричних напівпровідникових перетворювачів, дослідити їх характеристики.

Обладнання: дослідницькі зразки фотоелектричних напівпровідникових перетворювачів, джерело світлового випромінювання, мультиметр.

1. Теоретичні відомості

Робота різних напівпровідникових приймачів випромінювання (фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори) заснована на використанні внутрішнього фотоефекту, який полягає в тому, що під дією випромінювання в напівпровідниках відбувається генерація пар носіїв заряду – електронів і дірок. Ці додаткові носії збільшують електричну провідність. Така додаткова провідність, обумовлена дією фотонів, отримала назву фотопровідності.

Фотодіоди є напівпровідниковими діодами, в яких використовується внутрішній фотоефект. Світловий потік управляє зворотним струмом фотодіодів. Під впливом світла на електронно-дірковий перехід і прилеглі до нього області відбувається генерація пар носіїв заряду, провідність діода зростає і зворотний струм збільшується. Такий режим роботи називається фотодіодним (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Схема включення фотодіоду для роботи у фотодіодному режимі

Вольт-амперні характеристики I=f(U) при Ф=const для фотодіодного режиму (рис. 7.2) нагадують вихідні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою з загальною базою.

Рис. 7.2. Вольт-амперні характеристики фотодіоду для фотодіодного режиму

Якщо світлового потоку немає, то через фотодіод протікає звичайний початковий зворотний струм I₀, який називають темновим. А під дією світлового потоку струм в діоді зростає, і характеристика розташовується вище. Чим більше світловий потік, тим більше струм. Підвищення зворотної напруги на діоді незначно збільшує струм. Але при певній напрузі виникає електричний пробій (штрихові ділянки характеристик). Енергетичні характеристики фотодіода I=f(Ф) при U=const лінійні і мало залежать від напруги (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Енергетичні характеристики фотодіоду

Інтегральна чутливість фотодіода, зазвичай, складає десятки міліампер на люмен. Вона залежить від довжини хвилі світлових променів і має максимум при деякій довжині хвилі, різної для різних напівпровідників. Інерційність фотодіодів невелика. Вони можуть працювати на частотах до декількох сотень мегагерц. А у фотодіодів зі структурою p-i-n граничні частоти підвищуються до десятків гігагерц. Робоча напруга у фотодіодів зазвичай 10–30 В. Темновий струм не перевищує 20 мкА для германієвих приладів і 2 мкА – для кремнієвих. Струм при освітленні складає сотні мікроампер. Останнім часом розроблені фотодіоди на складних напівпровідниках, найбільш чутливі до інфрачервоного випромінювання. Більшість фотодіодів виготовляється за планарною технологією (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Принцип побудови планарного фотодіоду

Напівпровідникові фотоелементи, інакше називаються вентильними або фотогальванічними, служать для перетворення енергії випромінювання в електричну енергію. По суті, вони являють собою фотодіоди, що працюють без джерела зовнішньої напруги і створюють власну ЕРС під дією випромінювання.

Фотони, впливаючи на n-р-перехід і прилеглі до нього області, викликають генерацію пар носіїв заряду. Виниклі в n- і р-областях електрони і дірки дифундують до переходу, і якщо вони не встигли рекомбінувати, то потрапляють під дію внутрішнього електричного поля, що є в переході. Це поле також діє і на носії заряду, що виникають в самому переході. Поле розділяє електрони і дірки. Для неосновних носіїв, наприклад для електронів, що виникли в р-області, поле переходу є пришвидшуючим. Воно перекидає електрони в n-область. Аналогічно дірки перекидаються полем з n-області в р-область. А для основних носіїв, наприклад дірок в р-області, поле переходу є гальмуючим, і ці носії залишаються в своїй області, тобто дірки залишаються в р-області, а електрони – в n-області (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Розділення збуджених світлом носіїв під дією поля n-p-переходу

В результаті такого процесу в n- і р-областях накопичуються надлишкові основні носії, тобто створюються відповідно заряди електронів і дірок і виникає різниця потенціалів, яку називають фото-ЕРС (E_Ф). Зі збільшенням світлового потоку фото-ЕРС зростає за нелінійним законом (рис. 7.6). Значення ЕРС може досягати декількох десятих частин вольта. При включенні напівпровідникового фотоелемента на навантаження (рис. 7.7) виникає фотострум , де R_i – внутрішній опір самого фотоелемента.

Рис. 7.6. Залежність фото-ЕРС від світлового потоку

Рис. 7.7. Схема включення фотоелементу