МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

Кафедра електроніки та електротехніки

ЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт та

самостійної роботи з предметів «Аналогова схемотехніка» та

«Цифрова схемотехніка» для студентів спеціальності 6.050802.

Всі цитати, цифровий, фактичний Вимогам, що пред’являються до матеріал і бібліографічні відомості до навчально-методичної перевірені. літератури відповідає. До

друку і в світ

дозволяю на основі § 2, п. 15

«Єдиних правил…»

Позиція плану №___________

Замовлення №_____________

Тираж________ екз. Проректор з науково-

педагогічної роботи

Бондаренко О.О.

Упорядники: «____»_________ 2012 р.

проф. Каплун В.В.

проф. Головко О.О. М.П.

доц. Полонський В.А.

Відомостей, що заборонені для Затверджено на засіданні кафедри

відкритої публікації, нема електроніки та електротехніки

.

Протокол № від .2012 р.

Начальник І відділу Зав.кафедри

Лазарєв А.П. Каплун В.В.

«____»__________ 2012 р.

М.П.

Київ КНУТД 2012

Лабораторна робота № I

ДОСЛІДЖЕННЯ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ПРИЛАДІВ

Мета роботи – вивчити конструкцію, принцип роботи і характеристики різних фотоелектричних приладів (фотоелементів).

Стислі теоретичні відомості

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

Розрізняють фотоелементи із зовнішнім і внутрішнім фотоефектами. У 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 ЕРС.

Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом. Згідно квантової теорії світла світловий потік є потоком фотонів (квантів електромагнітної енергії). Проникаючи в метал, фотони взаємодіють з електронами, віддаючи їм свою енергію. Якщо енергія кванта буде достатньо 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; Wo- потенційний бар'єр на межі метал - вакуум (робота виходу).

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

Вакуумний фотоелемент показаний на рис. 1.1,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 він не перекривав шлях світловому потоку до катода. Електрони, що емітуються фотокатодом, йдуть до анода під дією електричного поля, створюваного анодною напругою.

а) б)

Рис.1.1.

Газонаповнені фотоелементи (рис.1.1,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 по його характеристиках і параметрах.

Вольтамперні характеристики показують залежність струму фотоелемента від значення анодної напруги при постійному світловому потоці:

На рис. 1.2 показані вольтамперні 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 фокусуючим полем, що росте. Коли всі електрони, що емітуються катодом, досягають анода, наступає режим насичення (у вакуумних фотоелементах).

Х

Рис.1.8.

арактеристики газонаповнених фотоелементів не мають явно вираженої зони насичення. При збільшенні струму Iа 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 Uз, 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. I.3).

Рис.1.9.

Рис.1.2. Рис.1.3.

Нормальною світловою характеристикою є пряма лінія за умови, що напруги на аноді вистачає для забезпечення режиму насичення. Фотоелементи звичайно використовуються для того, щоб без спотворення перетворити зміни світлового потоку в коливання електричного струму, тому лінійність світлової характеристики є однією з основних вимог, що пред'являються до фотоелементів.

Основним параметром фотоелемента є його чутливість. Розрізняють інтегральну і спектральну чутливості фотоелемента.

Інтегральна чутливість характеризує здатність фотоелемента реагувати на дію світлового потоку, що містить світлові коливання різних частот від ультрафіолетової до інфрачервоної.

Спектральна чутливість характеризує здатність фотоелемента реагувати на світлові коливання певної частоти. Кількісно чутливість визначає приріст фотоструму, створюваний у фотоелементі приростом світлового потоку в 1 лм, і вимірюється в мікроамперах на люмен на прямолінійній ділянці світлової характеристики, мкА/лм:

У загальному випадку користуються поняттям динамічної чутливості, мкА/лм:

При розрахунках по експериментальних кривих прийняти:

До фотоелементів з внутрішнім фотоефектом відносяться напівпровідникові фотоелементи, що змінюють під дією світла свій опір за рахунок збільшення в ньому числа вільних носіїв (електронів і дірок). Одержуючи енергію від світлового потоку, електрони переходять в зону провідності. Якщо до такого напівпровідника прикласти деяку напругу, то значення протікаючого в колі струму 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.1.4). Для оцінки фоторезистора користуються поняттям питомої чутливості: Кс - інтегральна чутливість, віднесена до 1 В прикладеної напруги.

По вольтамперних характеристиках визначають світловий опір Rсв: ,

де І_св – струм, що виникає під дією світлового потоку;

і темновий опір R_Т: ,

де І_т – струм при F = 0.

Світлова характеристика фоторезистора (рис. 1.5) нелінійна.

Рис.1.4. Рис.1.5.

Тому електричний режим роботи кола, що містить фоторезистор, доводиться розраховувати по окремих точках характеристик.

В порівнянні з електровакуумними фотоелементами фоторезистори мають більш велику чутливість, менші 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 фотострумом і освітленістю; залежність від температури навколишнього середовища. Фоторезистори широко застосовуються у фоторелейних схемах. Властивість фоторезистора різко змінінювати опір при переході від затемненого стану до освітленого за умов відносно малих змін світлового потоку використовується для управління електромагнітним реле.

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

Фотодіоди складаються з двох домішкових напівпровідників з різними типами електричної провідності, на межі між якими створюється р-n перехід. Якщо р-п перехід піддати опромінюванню, то кванти світла, руйнуючи ковалентні зв'язки, створюватимуть нові пари електрон-дірка. За рахунок дії поля р-п переходу ці заряди швидко розділяються: електрони йдуть в n-напівпрвідник, дірки – в р-напівпрвідник. У зовнішньому колі з'явиться струм, а на опорі навантаження - напруга. Струм в навантаженні називається фотострумом, а напруга на навантаженні - фотоЕРС.

Описаний режим роботи, при якому відбувається пряме перетворення світлової енергії в електричну, називається фотогенераторним режимом (див. схему на рис. 1.9).

Фотодіоди можуть бути використані в колах із зовнішнім джерелом Е, в так званому фотоперетворювальному режимі, із зворотним включенням (рис.1.10).

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 середовищ, розмірів виробів, якості обробки їх поверхонь і т.д.

Вказівки до виконання роботи

1. Перед виконанням роботи необхідно уважно ознайомитися з лабораторним стендом, з'ясувати призначення перемикачів і потенціометрів, визначити, де знаходяться досліджувані прилади на схемі, прочинити вікно в стенді і розглянути прилади, встановлені за світлозахисним екраном.

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

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

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

Рис.1.6.