3dok_toa / Лабораторні роботи / Методичка 1 семестр 2011

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1.Для якої мети використовуються первинні перетворювачі переміщення?

2.Які існують конструктивні особливості тензорезисторів?

3.За якими схемами підключаються тензорезистори?

4.Яке фізичне явище покладено в роботу тензорезистору?

5.Пояснити принцип роботи потенціометричного первинного перетворювача?

6.Що представляє собою статична характеристика первинного потенціометричного перетворювача?

7.Що розуміється під коефіцієнтом чутливості первинного перетворювача?

8.Від чого залежить зона нечуйності потенціометричного первинного перетворювача з дротовим резистором?

9.Поясніть явище гистерезису в магнітних матеріалах.

10.Назвіть, які з досліджуваних первинних перетворювачів можуть використовуватися для безупинного контролю, а які для дискретного? Привести приклади застосування. Чому?

11.Поясните принцип роботи безконтактного кінцевого вимикача ВКБ-08. 12.Від чого залежить зона нечуйності безконтактних кінцевих вимикачів?

ЛІТЕРАТУРА

1.Бородин И.Ф. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов / И.Ф. Бородин, Н.И. Кирилин - М.: Колос, 1977. - с. 96-102.

2.Бородин И.Ф. Технические средства автоматики / И.Ф. Бородин. - М.: Колос,

1982. - с. 57-60.

3.Ткачов В.В. Технічні засоби автоматизації. Навчальний посібник / В.В. Ткачев, В.П. Чернишов, М.М. Одновол. – Д.: Національний гірничий університет, 2007. –

177с.

4.Тензорезисторы. Общие технические условия. ГОСТ 21616-91 [Чинний від 01.01.1992. Дата актуалізації: 01.08.2009]. – М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 1992. – 47 с. - Государственный стандарт СССР

5.Клокова Н.П. Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки / Н.П. Клокова. – М.: Машиностроение, 1990. – 224 с.

6.Кудрявцев И.Ф. Автоматизация производственных процессов на фермах / И.Ф. Кудрявцев, О.С. Шкляр, Л.Н. Матюнина. - М.: Колос, 1976. - с. 38-40.

7.Електрооборудование животноводческих предприятий и автоматизация производственных процессов в животноводстве /Под ред. И.Ф. Кудрявцева. - М.: Колос, 1979. - с. 147-148 - (Учебник и учеб. пособие для с.-хоз. учеб. заведений).

21

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 03

ДОСЛІДЖЕННЯ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ОСВІТЛЕННОСТІ ТА ФОТОРЕЛЕ

Мета роботи: Ознайомлення з конструкцією фотоприймачів та методами визначення статичних і динамічних властивостей перетворючів освітленості (фоторезисторів і фотодіодів), особливостями схем включення та принципом роботи фотореле.

ПРОГРАМА РОБОТИ

1.Ознайомитися з конструкцією і паспортними даними фоторезисторів і фотодіодів, ппредставлених на стенді.

2.Зняти вольт - амперну характеристику фоторезистору типу СФ2-5А при двох різноманітних рівнях освітленостях.

3.Зняти світлові характеристики при двох різноманітних рівнях напруги на фоторезисторі СФ2-5А. Визначити питому та інтегральну чуйність фоторезистору

К0 та Кі.

4.Зняти характеристики фотодіода ФД-256 в фотодіодному та вентильному режимах.

5.Вивчити принципову електричну схему фотореле і випробувати його.

6.УНДРС. Експериментально дослідити розгінну характеристику фоторезистору.

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Оптичні (світлові) первинні перетворювачі (ПП) застосовуються як елементи автоматики, що реагують на появу або зникнення світлового променя або кількість світлових імпульсів.

Усільському господарстві оптичні ПП використовуються в устроях автоматичного відключення та включення вуличного освітлення (у залежності від зміни дня і ночі); у регуляторах освітлення, інтенсивності та опромінення в теплицях, у тваринництві і птахівництві, у вимірювачах димності повітря і каламутності води, газоаналізаторах, в устроях контролю полум'я в топках, що працюють на рідинному паливі,

урізноманітних захисних устроях та ін.

Уякості елементів, що сприймають оптичне випромінювання поряд із електровакумними фотоелементами використовуються - фотодіоди, фототріоди, фототиристори і фоторезистори.

Фоторезистор – напівпровідний резистор, який змінює свій електричний опір під дією зовнішнього електромагнітного випромінювання. Фоторезистори відносяться до фотоелектричних приймачів випромінювання, їх принцип дії засновано на внутрішньому фотоефекті в напівпровідниках. Основу фоторезистору складає шар (або плівка) напівпровідникового матеріалу на підложжі (або без нього) з нанесеними на нього електродами, за рахунок яких фоторезистор підключається до електричної мережі. Фоторезистивний шар отримується, наприклад, пресуванням порошку

22

або розпиленням водно - спиртової суспензії напівпровідникового матеріалу безпосередньо на поверхню підложжя, хімічним осадженням, епитаксією, напиленням. Отримані таким чином шари (плівки) можуть підвергатися віджиганню. В залежності від призначення фоторезистори можуть бути одно - і багатоелементними (мозаїчні), з охолодження та без, відкриті та герметизовані, виконані у вигляді окремих виробів або в складі інтегральних схем. Для розширення функцій фоторезистори доповнюють фільтрами, лінзами, растрами (оптичними модуляторами), попередніми підсилювачами (в мікромініатюрному виконанні), термостатами, підсвічуванням, системами охолодження та інше. (рис. 1).

Рисунок 1 – Фоторезистор з охолодженням: 1 - вхідне вікно; 2 - фоточуйний елемент; 3 - контактна колодка; 4 – попередній підсилювач; 5 - тепловідвід: 6 – електричні виводи; 7 - основа; 8-терморезистор; 9 – термоелектричний охолоджувач.

В загальному вигляді фоторезистори мають такі параметри: темновій опір

(101-1014 Ом); спектральний діапазон чуйності (0,5-120 мкм); постійна часу (10-2- 10-9 с); вольтова чуйність (103-106 В/Вт); здатність виявляння (108 -1016 см•Гц1/2•Вт-1);

температурний коефіцієнт чуйності (0,1-5 %/К); робоча напруга (0,1 -100 В).

Рисунок 2 - Криві спектральної чуйності фоторезисторів на основі CdS (крива I), CdSe (2), PbS (3), твердого розчину PbS-PbSe (4,5), PbSe (6), PbSn(Te) (7).

Фоторезистори мають вибірність до зовнішнього випромінювання: так, фоторезистори на основі CdS і CdSe чуйні до видимому, УФ -, рентгенівському і - випромінюванню, а також до ближнього ІЧ – випромінюванню. Фоторезистори на основі PbS, PbSe, InSb, CdHgTe і PbSnSe - до ІЧ – випромінювання з довжиною хвилі до 14 мкм (рис. 2), а на основі легованих Si і Ge - до 40 мкм. Висока чуйність, стабільність фотоелектричних характеристик у часі, мала інерційність, простота устрою, яка дає різноманітність конструктивно - технологічне виконання, здатність працювати в широкому діапазоні механічних та кліматичних умов дозволяють широке ви-

23

користання фоторезисторів в приборах і пристроях оптоелектрониці. Таблиця 1- Характеристики фоторезистору СФ2-5А

Фотодіод – приймач оптичного випромінювання, який перетворює світло яке попадає на його фоточутлива область в електричний заряд за рахунок процесів в p- n-переході.

Фотодіод, робота якого основана на фотовольтаічному ефекті (розподіл електронів і дірок в p- і n- області, за рахунок чого утворюється заряд і ЕПС), має назву сонячний елемент. Крім p-n фотодіодів, існують і p-i-n фотодіоди, в яких між шарами p- і n- знаходиться шар нелегированого напівпровідника i. p-n та p-i-n фотодіоди тільки перетворюють світло в електричний струм, але не підсилює його на відміну від лавинних фотодіодів і фототранзисторів.

Рисунок 3 - Структурна схема фотодіода. 1 - кришталь напівпровідника; 2 - контакти; 3 - виводи; Φ - потік електромагнітного випромінювання; Е – джерело постійного струму; RH - навантаження.

Основним елементом фотодіода (ФД) є p-n-перехід. При освітленні його відбувається генерація електронно-діркових пар. Електричне поле переходу розділяють незрівноважені носії заряду. Струм, утворений цими носіями, збігається за напрямом з оберненим струмом p-n-переходу. p-n-перехід як фотоприймач застосовується в двох режимах – фотодіодному і режимі генерації фото - ЕРС (вентильному) (рис. 4). У першому випадку на діод подається обернена напруга і струм через структуру є функцією інтенсивності світла. В другому випадку p-n-перехід сам використовується в якості джерела ЕРС або струму.

24

Рисунок 4 - Схеми вмикання діода у фотодіодному (а) і фотовентильному (б) режимах

Фотодіодний режим використання p-n-переходів і інших аналогічних структур має визначені переваги по відношенню до фотовентильного: висока швидкодія, краща стабільність характеристик, великий динамічний діапазон лінійності характеристик, підвищена фоточутливість у довгохвильовій області. Недолік фотодіодного режиму пов'язаний із темновим струмом, що проходить через прилад при оберненому зсуві за відсутності випромінювання. В опорі навантаження створюється напруга зсуву, значення котрої експоненціально залежить від температури. Надлишковий шум і шум, обумовлений температурними коливаннями напруги зсуву, зникають, якщо діод знаходиться при нульовому зсуві. Тому фотовентильний режим може виявитися кращим від фотодіодного. Енергетичні характеристики фотоелементів близькі до лінійного при малих опорах навантаження і є логарифмічними (залежність фотовідповіді від інтенсивності засвічування) при великому навантаженні. Типова структура фотодіода і його вольт-амперна характеристика (ВАХ) показані на рис. 5.

Для визначення величини напруги фотосигналу необхідно визначити стан електричного ланцюга з нелінійним електричним елементом (фотодіодом) в темряві і при освітленні, тобто визначити струм в ланцюзі і падіння напруги на кожному з елементів. Різниця падінь напруг на опорі навантаження в темряві і при освітленні є напругою фотосигналу.

Рисунок 5 - ВАХ фотодіода (a) і його структурна схема (б).

Для фотодіодного режиму на основані закону Кирхгофа можна записати два рівняння, які пов'язують параметри станів електричної схеми:

де ID, IH – струми, які протікають через фотодіод і опір навантаження; VD, VH – падіння напруги на фотодіоді і опору навантаження;

Vn – напруга живлення ланцюга включення (задана величина).

Крім того, якщо є ВАХ фотодіода, тобто залежність

і прирівняємо праві частини рівняння (3) і (4) на основані рівняння (1), то знайдемо VD, потім з рівняння (2) – VH і, а потім IH.

25

Для визначення залежності (4) поділимо обидві частини рівняння (3) на величину опору навантаження RH.

Тоді

Цю пряму називають навантажельною прямою. Точка б відповідає режиму короткого замикання фотодіода.

Практично величину сигналу зручно визначити графічним методом (рис.6).

Рисунок 6 – Навантажельна пряма на ВАХ фотодіоду в фотодіодному режимі

Побудуємо на одному графіку декілька вольтамперних характеристик фотодіоду (перша при в неосвітленому стані інші при заданих рівнях освітленості – потоку Ф) і навантажельну пряму. ВАХ фотодіода можна знаходити розрахунком або експериментально.

Точки пересічення ВАХ фотодіоду і навантажельної прямої відповідає виконанню рівняння (14), отже, їх координати (ID, VD) описують два стана електричного ланцюга. Падіння напруги на опору навантаження легко визначити по тому ж графіку:

VH Vn VD

а напруга фотосигналу дорівнює:

VC VH 0бл VHТ VDТ VD0бл

Фотодіоди мають такі особливості: простота технології виготовлення і структур; співвідношення високої фоточутливості і швидкодії; малий опір бази; малу інерційність та характеризуються такими параметрами:

Чуйність – відображує зміну електричного стану на виході фотодіоду при подачі на вхід одиничного оптичного сигналу. Кількісно чуйність вимірюється відношенням зміни електричної характеристики, яка визначається на виході фотоприйма-

26

ча, до світового потоку або потоку випромінювання, що його визвало.

Шуми – окрім корисного сигналу на виході фотодіоду з'являється хаотичний сигнал з випадковою амплітудою і спектром - шум фотодіода. Він не дозволяє регіструвати будь які малі корисні сигнали. Шум фотодіода складається з шумів напівпровідникового матеріалу та фотонного шуму.

Фотодіоди мають такі характеристики:

Вольт - амперна характеристика (ВАХ) – залежність вихідної напруги від вхідного струму UΦ = f(IΦ)

Спектральна характеристика – залежність фотоструму від довжини хвилі світла, який падає на фотодіод. Вона визначається з боку великих хвиль шириною забороненої зони, при малих довжин хвиль великими показниками поглинання і збільшення впливу поверхньої рекомбінації носіїв заряду із зменшенням довжини хвилі квантів світла.

Світові характеристики – залежність фотоструму від освітленості, відповідає прямою пропорційністю фотоструму від освітленості.

Постійна часу - це час, за який фотострум фотодіода змінюється після освітлення або після затемнення фотодіода в е раз (63 %) по відношенню до встановленого значення.

Темновий опір – опір фотодіода при відсутності освітлення.

Інерційність.

В лабораторній роботі використовується фотодіо на основі кремнія ФД-256,

Фотореле призначено для автоматичного вмикання і відключення вуличного освітлення, а також може служити як елемент контролю і керування іншими об'єктами.

Якщо фотореле використовується для керування вуличним освітленням, то воно встановлюється на комплектних трансформаторних підстанціях (КТП) і працює так.

На рисунку 7 зображено схема фотореле (первинного перетворювача освітленос-

27

ті) на базі операційного підсилювача К140УД6. Резистор позитивного зворотного зв’язку R4 вводе в принципову схему фотореле гістерезис с метою заборони паразитних коливань.

Чутливість фотореле регулюється змінним резистором R3. Операційний підсилювач DA1 включено за класичною схемою компаратора. Діод VD1 захищає транзистор VT1 от кидків зворотного зв’язку напруги при спрацьовуванні реле. Конденсатор С1 слугує для фільтрації високочастотних перешкод по ланкам живлення.

Діод VD2, резистор R7 та конденсатор С2 встановлені для зниження напруги живлення з 220 В до 12 В.

Рисунок 7 – Принципова електрична схема фотореле

ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДУ

Лабораторний стенд представлено на рисунку. 8.

Рисунок 8 - Принципова електрична схема досліду властивостей фотоелементів та фотореле

Він складається з закритої світлової камери в якій знаходяться джерело освітленості (лампа розжарювання), фоторезистор типу СФ2-5А, фотодіод типу ФД-256, фотоелемент люксметра Ю116А та фоторезистор фотореле; комутаційної апаратури SB1…SB6 (SB1 – загальне включення лабораторного стенду, SB2 – включення джерела постійного струму 0…20 В, SB3 – зміна полярності напруги на приборах освітленості – "1" – пряма напруга, "2" – зворотна напруга, SB4 – перемикання режимів зняття характеристик фотодіоду – "1" – вентильний режим, "2" – фотодіодний ре-

28

жим, SB5 – вибір між приладами освітленості фотодіодом "1" та фоторезистором "2", SB6 – перемикач включення фотореле; регулюючих приладів R1, R3, RНАВ та R5; вимірювальних приладів люксметр Ю116А та двох мультиметрів типу DT838 один включено в режим вольтметру, а другий в режим міліамперметру (при роботі стенду мультиметр в режимі "V" універсальним перемикачем включити в режим "DCV" на рівень"20", а мультиметр в режимі "mA" універсальним перемикачем включити в режим "DCA" на рівень"200 m", "20 m" або "2000 " в залежності від проведених дослідів; світлової сигналізації VD1…VD3 (VD1 – загальна мережа, VD2 – включення постійної напруги, VD3 – включення фотореле) та регулятору змінної напруги з можливістю регулювати напругу в межах від 0 до 220 В (R3) і джерела постійного струму з регульованою постійною стабілізованою напругою в межах від 0 до 20 В (R1). Для виконання дослідів необхідно включити перемикач SB1 при цьому засвітиться світлодіод VD1.

ВИКОНАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ

1. Зняття вольт - амперних характеристик (ВАХ) фоторезистору

ВАХ фоторезистору знімаються при двох значеннях освітленості (що задається викладачем). Встановити перемикач SB2 в положення "2", перемикач SB3 теж в положення "2" Освітленність в світловій камері встановлюється із допомогою резистору R3, яка контролюється люксметром. Напругу потрібно змінювати потенциометром R1 через рівні інтервали (5…6 точок) до досягнення струму через фоторезистор 0,1 мА. Щоб вибрати точки вимірів спочатку необхідно провести дослід без вимірів (для визначенння максимальних значень), а потім повторити його, записуючи результати до таблиці 2. За результатами вимірів побудувати вольт

Визначити питомий коефіцієнт чуйності К0 фоторезистора при максимальному значенні струму і напрузі 20 В:

де IФ - струм фоторезистору, А;

U - напруга на фоторезисторі, В;

ФSE - світловий потік, лм;

S - площа світлочутливого прошарку, м; Е - освітленість, лк.

Визначити інтегральну чуйність Кі фоторезистора при максимальному значенні струму і напрузі 20 В:

29

Kі IФФ ,

де IФ - струм фоторезистору, А;

ФSE - світловий потік, лм;

2.Зняття енергетичних характеристик фоторезистору

Енергетична характеристика фоторезистору - знімається при двох фіксованих значеннях напруги (що задаються викладачем), та спочатку встановлюються потенциометром R1. Освітленість у світловій камері змінюється за допомогою потенциометру R3 до максимального значення струму рівного 0,5 мА з інтервалом 0,1 мА. Опір фоторезистору при різноманітній освітленості визначити за законом Ома.

За результатами вимірів і обчислень побудувати енергетичні характеристики І

=f(E) і R = f(E) при двох значеннях напруги на загальному графіку.

3.Зняття вольт амперної характеристики фотодіода

Для зняття вольт амперної характеристики фотодіода потрібно перемикач SB2 встановити в положення "1", перемикач SB3 встановити в положення "2". Перемикачем SB4 змінюємо полярність на фотодіоді VD2 від джерела постійного струму – в положенні "1" пряма гілка характеристики, а в положенні "2" зворотня гілка характеристики. Змінюя напругу джерела живлення регулюючим резистором R1 знимаються пряма та зворотні гілки ВАХ без освітлення і при двох різних рівнях його освітлення (за вказівками викладача).

Будьте уважними! Зворотні гілки характеристик потрібно знімати з інтервалами 1 В до 18 В, та з інтервалом 0,1 В біля 0 В. Тому що на прямих гілках є дуже круті дільниці характеристик, то при знятті їх краще не встановлювати напругу і региструвати струм, а навпаки, встановлювати струм з обраним інтервалом, і региструвати напругу.

4. Зняття характеристик фотодіоду у вентильному режимі

Для зняття характеристик фотодіоду у вентильному режимі потрібно перемикач SB2 встановити в положення "1", а SB3 встановити в положення "2". Зняти залежності залежність струму через навантаження від величини RНАВ (положення регулятору задається викладачем) при двох значеннях освітленості (за вказівками викладача). Розрахувати значення напруги на навантажувальному опіру RНАВ і побудувати графік залежності струму і напруги на навантаженні RНАВ від її величини для обох рівнів освітленності. Знайти опір навантаження, що забезпечує максимальне виделення потужності на ньому при кожному рівні освітленності.

5. Дослідження роботи фотореле

Відключити джерело постійного струму перемикачем SB2 (погасне світлодіод VD2). Встановити регулятор R5 в нульове значення. Включити фотореле

30