по дисциплине «Радиоматериалы и радиокомпоненты»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

по дисциплине «Радиоматериалы и радиокомпоненты»

"Исследование фотоэлементов и фотореле"

ИВАНОВО -2013

1. Цель работы: ознакомление с принципами действия и исследования вольтамперных характеристик фотоэлектрических приборов.

2. Программа работы

2.1. Ознакомиться с устройством и принципом действия фотоэлектрических приборов.

2.2. Ознакомиться с устройством лабораторного стенда.

2.3. Снять и построить вольтамперные характеристики сурьмяно-цезиевого вакуумного и цезиевого газонаполненного фотоэлементов при двух значениях светового потока F₁ и F₂ .

2.4. Снять и построить вольтамперные характеристики сернисто-кадмиевого фотосопротивления ФСК-1 для значений светового потока F₁ и F₂ .

2.5. Снять и построить вольтамперные характеристики германиевого фотодиода ФД-1 в режиме фотопреобразователя при R_н=0 и двух значениях светового потока F₁ и F₂.

2.6. Снять и построить нагрузочные характеристики германиевого фотодиода ФД-1 в режиме фотогенератора при двух значениях светового потока F₁ и F₂.

2.7. Исследовать работу фотореле.

2.6. Оформить отчет, который должен содержать: а) цель работы; б) краткое содержание работы; в) принципиальную схему установки; г) таблицы выполненных измерений; д) выводы по работе.

3. Методические указания

К пункту 2.1.

При освещении поверхности металлов и полупроводников электронам сообщается дополнительная энергия, достаточная для их возбуждения или выхода из вещества. Это явление называется фотоэффектом. В зависимости от того, остаются ли электроны в веществе, повышая его электропроводность, или покидает вещество, различают фотоэффекты - внутренний и внешний. Промежуточное место занимает вентильный фотоэффект.

Фотоэлементом называется прибор, который под действием лучистой энергии изменяет свою электропроводность или создает электродвижущую силу. Различают:

1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (электронные и ионные), основанные на принципе фотоэлектронной эмиссии электронов на поверхности катода, возникающей под влиянием световой энергии.

2. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления), у которых под влиянием световой энергии изменяется электрическая проводимость.

3. Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, являющиеся источниками фото ЭДС.

На рис. 2.1 показано устройство вакуумного фотоэлемента и схема его включения. В стеклянной колбe, из которой удален воздух, размещен катод К и анод А. Катод в виде полупроводникового слоя нанесен на внутреннюю поверхность стеклянной колбы. Для проникновения света к катоду в колбе имеется «окно», то есть часть колбы остается без покрытия.

а).	б).

Рис.2.1. Устройство вакуумного фотоэлемента (а) и схема его включения (б)

Наиболее распространенными типами катодов фотоэлементов являются кислородно-цезиевый и сурьмяно-цезиевый, обладающие малой работой выхода электронов. У кислородно-цезиевого катода полупроводниковый слой состоит из окиси цезия с примесью атомов цезия и серебра. Сурьмяно-цезиевый фотокатод состоит из химического соединения сурьмы и цезия.

На рис.2.2 а приведено семейство вольтамперных характеристик вакуумного фотоэлемента СЦВ-3 при световом потоке F = const. При анодном напряжении в несколько десятков вольт анод собирает практически все фотоэлектроны, так что дальнейшее увеличение напряжения не изменяет анодного тока.

В газонаполненных фотоэлементах электроны, выбитые из катода, устремляясь к аноду, сталкиваются с атомами газа и ионизируют их, что увеличивает общий ток (эффект газового усиления). Семейство вольтамперных характеристик газонаполненного фотоэлемента ЦГ-3 при F = const приведено на рис.2.2б.

Рис.2.2. Вольтамперные характеристики фотоэлементов

При увеличении анодного напряжения увеличивается скорость электронов, устремляющихся к аноду, возрастает их ионизационная способность, а следовательно, увеличивается анодный ток. Вольтамперные характеристики фотоэлементов характеризуются статической чувствительностью

и чувствительностью по напряжению

При световой потоке F =0 через фотоэлементы протекает небольшой темновой ток I_Т, равный 10^-7 – 10^-8 А. Величина фототока зависит от величины светового потока F, достигающего катода, фотоэмиссионных свойств катода, а также напряжения питания E_Ф и сопротивления нагрузки R_Н. Статическая чувствительность вакуумных фотоэлементов К_с = 100 мкА/лм, а газонаполненных выше (К_с = 200 - 300 мкА/лм).

Устройство фотосопротивления показано на рис.2.3.

а).	б).

Рис.2.3. Устройство и принцип действия фотосопротивления

На стеклянную пластинку 1 нанесен полупроводниковый слой 2, электрическое сопротивление которого изменяется под действием световых лучей, благодаря увеличению числа свободных носителей заряда (электронов или дырок). Для присоединения фотосопротивления к схемe на полупроводниковый слой наносятся контакты 3. Источник напряжения может быть присоединен к фотосопротивлению в любой полярности. Наклон вольтамперной характеристики (рис.2.3б), определяющий величину сопротивления, зависит от светового потока.

Фотосопротивления отличаются высокой чувствительностью, зависящей от величины приложенного напряжения. Поэтому фотосопротивления характеризуются высокой удельной чувствительностью, составляющей для ФСК-1 около 3000 мкА/лм.

Фотодиоды, составляемые из германия или кремния, не отличаются по своей структуре от обычных полупроводниковых диодов. В фотодиодах носители тока возбуждаются в результате взаимодействия фотонов с материалом области p-n перехода - узкой зоной между участком полупроводника с проводимостью p -типа и участком с проводимостью n -типа. Фотодиоды могут работать в режимах: с приложенным к ним извне напряжением и при отсутствии внешнего напряжения. В первом режиме, называемом фотопреобразовательным, носители зарядов перемещаются внутри фотодиода под действием приложенного извне напряжения. Во втором режиме, называемом фотогенераторным, под действием носителей зарядов возникает собственная э.д.с, благодаря которой фотодиод передает электрическую энергию во внешнюю цепь.

Включение фотодиода, работающего в режиме фотопреобразователя, показано на рис.2.4а. К слою p подведен отрицательный полюс источника напряжения E_Ф, а к слою n - положительный. При такой полярности через фотодиод при отсутствии облучения проходит небольшой темновой ток I_т, соответствующий обратному току в вентиле. С появлением светового потока, освобождающееся вблизи p-n перехода дополнительное число носителей зарядов, ток в фотодиоде возрастает в соответствии с вольтамперными характеристиками, приведенными на рис.2.4в.

Схема включения фотодиода, работающего в фотогенераторном режиме, приведена на рис.2.4б.

Рис.2.4. Схемы включения фотодиода и его вольтамперные характеристики

Свободные носители зарядов, генерируемые фотонами и накапливающиеся у электродов, создают собственную э.д.с. фотодиода. Таким образом, фотодиод в режиме фотогенератора осуществляет прямое преобразование световой энергии в электрическую. Максимум отдаваемой во внешнюю цепь электрической энергии наблюдается при определенном сопротивлении нагрузки R_{н.опт .}. Чувствительность фотодиодов составляет 10-20 мА/лм.

Фотодиод типа ФД-1, работающий в режиме фотопреобразователя, может быть использован в фотореле, схемa которого приведена на рис.2.5. Фотодиод включен в цепь базы транзистора, который управляет электромеханическим реле К. Напряжение на лампочке Н2, освещающей фотодиод, регулируется с помощью потенциометра R2. Величина напряжения на лампочке Н2 измеряется вольтметром Р. При увеличении напряжения на лампочке H2 увеличивается освещенность фотодиода. Зависимость тока фотодиода от напряжения U_Н2 на лампочке Н2 приведена на рис.2.6.

Увеличение фототока вызывает увеличение тока базы транзистора, что приводит к увеличению коллекторного тока, протекающего через электрическую обмотку реле К.

Рис.2.5. Схема фотореле	Рис.2.6. Зависимость тока фотодиода от напряжения осветителя

Когда коллекторный ток транзистора достигнет тока срабатывания реле, зажигается сигнальная лампочка Н1, находящаяся на лицевой стороне панели стенда. В схеме применено поляризованное реле типа РП-7, у которого сопротивление обмотки R_к = 16 кОм, ток срабатывания I_ср = 5 мА. Напряжение питания схемы E_к = 20 В.

К пункту 2.2.

Принципиальная схема лабораторного стенда приведена на рис.2.7. При освещении фотоэлементов одной или двумя осветительными лампочками (световой поток F1 и F2) величина фототока измеряется микроамперметром Р1 (для СЦВ-3 и ЦГ-3) и миллиамперметром Р2 (для ФСК-1), а напряжение - вольтметром Р4. При замыкании тумблера S2 снимается вольтамперная характеристика фотосопротивления, а тумблера S7 – вольтамперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.

Рис.2.7. Схема стенда

Переключатель SА3 позволяет снимать характеристики фотодиодов в двух режимах: фотопреобразователя и фотогенератора. В режиме фотопреобразователя последовательно с исследуемым фотодиодом включается регулируемый источник напряжения 0 - 12 В. В режиме фотогенератора фотодиод генерирует фототок, измеряемый микроамперметром Р3. Вольтметром Р5 измеряется напряжение на исследуемом фотодиоде и на лампочке НА2, освещающей фотодиод В4 (ФД-1) фотореле на транзисторе VТ1.

К пункту 2.3.

Подготовить стенд к включению в сеть и снятию вольтамперных характеристик сурьмяно-цезиевого вакуумного и цезиевого газонаполненного фотоэлементов при двух значениях светового потока F1 и F2, для чего необходимо:

а) выключатель питания стенда поставить в положение «Сеть» (питание включено);

б) ручки регуляторов напряжения с индексом 0 – 12 В и 0 - 250В вывести в крайнее левое положение;

в) выключатель S2 поставить в положение «Выключено»;

г) переключатели светового потока всех элементов поставить в положение F = 0.

Подключить с помощью шнура стенд к сети переменного тока напряжением 220 В. Выключатель «Сеть» (на лицевой панели стенда) поставить в положение «Вкл», при этом на панели стенда загорается сигнальная лампа.

Снять вольтамперные характеристики сурьмяно-цезиевого вакуумного фотоэлемента СЦВ-3 при двух значениях светового потока F₁ и, F₂, для чего необходимо:

а) переключатель S7 поставить в положение «Вакуумный»;

б) переключатель светового потока с индексом СЦВ-3 поставить в положение F₁;

в) с помощью потенциометра с индексом 0 - 250В изменять приложенное к фотоэлементу напряжение от 0 до 240 В (с интервалами, рекомендованными в таблице), измеряя его величину по вольтметру Р4 и одновременно фиксируя по микроамперметру Р1 величину тока фотоэлемента;

г) закончив измерения по предыдущему пункту, поставить переключатель светового потока в положение F2 и повторить измерения по пункту «в».

Результаты обеих опытов свести в табл.2.1. Регулирующие и коммутирующие устройства поставить в исходные положения.

Для снятия вольтамперной характеристики газонаполненного фотоэлемента ЦГ-3 необходимо проделать аналогичные измерения при положении переключателя S₇ – «Газонаполненный». Результаты опытов записать в табл.2.2. Форма составления табл.2.2 аналогична 2.1. После окончания измерения ручки потенциометров и переключателей поставить в исходное положение;

Таблица 2.1

Зависимость I_ф = f(U_ф) для СЦВ-3

F1	Uф(В)
Iф(мкА)
F2	Uф(В)
Iф(мкА)

К пункту 2.4.

Для снятия вольтамперных характеристик сернисто-кадмиевого сопротивления ФСК-1 при световых потоках F1 и F2 необходимо:

а) выключатель S2 поставить в положение «Вкл»;

б) переключатель светового потока с индексом «ФСК-1» поставить в положение F1;

в) с помощью потенциометра с индексом 0 - 250 В изменять приложенное к фотосопротивлению напряжение от 0 до 200 В с интервалами 25 В, измеряя величину его по вольтметру Р4. Одновременно фиксировать величину тока фотосопротивления по миллиамперметру Р2;

г) выполнив предыдущий опыт, поставить переключатель светового потока в положение F2;

д) повторить измерения по пункту «в».

Результаты опытов внести в табл.2.3. Регулирующие и коммутирующие устройства поставить в исходное положение.

Таблица 2.3.

F1	Uф(В)
Iф(мкА)
F2	Uф(В)
Iф(мкА)

К пункту 2.5.

Для снятия вольтамперных характеристик германиевого фотодиода ФД-1 в режиме фотопреобразователя при R_н =0 и двух значениях F₁ и F₂необходимо:

а) выключатель S3 поставить в положение «Фотопреобразователь»;

б) переключатель нагрузочных сопротивлений S1 поставить в положение Rн = 0 (крайнее левое положение);

в) переключатель светового потока с индексом ФД-1 поставить в положение F₁;

г) с помощью потенциометра с индексом 0 - 12 В изменять приложенное к фотодиоду ФД-1 напряжение от 0 до 10 В о интервалами 1 В, измеряя величину напряжения вольтметром Р5,а тока - микроамперметром Р3;

д) после выполнения первого опыта переключатель светового потока поставить в положение F2;

е) повторить измерения.

Результаты опытов внести в таблицу 2.4.

Таблица 2.4

F1

Uф(В)

Iф(мкА)

F2

Uф(В)

Iф(мкА)

К пункту 2.6.

Для снятия нагрузочных характеристик I_ф = f(R_н) фотодиода ФД-1 в режиме фотогенератора при двух значениях светового потока F₁ и F₂ необходимо:

а) выключатель S3 поставить в положение «Фотогенератор»;

б) переключатель светового потока с индексом ФД-1 (левый) поставить в положение F₁;

в) переключатель сопротивлений S1 последовательно ставить в положение: 100 Ом, 1 кОм, 2 кОм, 3 кОм, 5,1 кОм. 100 кОм, 300 кОм, одновременно регистрируя значение тока;

г) возвратить в исходное положение переключатель сопротивления S1. Переключатель светового потока поставить в положение F2.

д) повторить измерения;

е) для каждого значения сопротивления нагрузки рассчитать величины напряжения U_ф и мощности по формулам: U_ф=I_фR_н; P_н=I_фU_н.

Результаты опыта и расчеты свести в таблицу 2.5.

Таблица 2.5

F1	Rн(Ом)		10^3	2·10^3	3·10^3	5,1·10^3	10^5	3·10^5
Iф(мкА)
Uн(В)
Рн(ВА)
F2	Rн(Ом)		10^3	2·10^3	3·10^3	5,1·10^3	10^5	3·10^5
Iф(мкА)
Uн(В)
Рн(ВА)

К пункту 2.7.

Измерить напряжение на осветительной лампе НA2, соответствующее световому потоку F1, при котором срабатывает фотореле (зажигается сигнальная лампа НA1). Для этого необходимо:

а) переключатели светового потока всех фотоэлементов стенда поставить в положение «0»;

б) переключатель светового потока фотоэлемента ФД-1 поставить в положение F1;

в) поворачивая ручку регулятора напряжения питания фотодиода ФД-l, наблюдать момент зажигания лампы HA1 (момент срабатывания реле). Определить при этом величину напряжения на осветительной лампе НA2 по вольтметру Р5.

К пункту 2.8.

Отчет о выполненной работе должен содержать:

1) цель работы;

2) краткое содержание работы;

3) принципиальную схему установки;

4) таблицы и графики проведенных измерений;

5) выводы по работе.

Дата добавления: 2015-10-21