«Работа фотоэлемента в режиме фотоЭДС».

Лабораторная работа № 1

«Работа фотоэлемента в режиме фотоЭДС».

Цель работы:

1. Изучить работу фотоэлемента;

2. Определить зависимость фотоЭДС от освещенности;

3. Рассчитать чувствительность датчика .

Приборы:

Вольтметр ТЕС23, источник питания, люксметр, фотоэлемент.

Фотоэлемент это устройство, предназначенное для преобразования светового сигнала в электрический.

Фотоэлементы применяются в виде: фотоприемников, солнечных батарей и измерителей светового потока.

Рис. 1. Конструкция фотоэлемента с p‑n переходом.

В фотоэлементах на основе p‑n переходов используется эффект разделения неравновесных носителей на границе электронно-дырочного перехода. Неравновесные носители создаются оптическим излучением. Поле p‑n перехода перемещает неосновные носители в ту область, где они являются основными. Появление дополнительных неосновных носителей создаёт фотоЭДС. Схематически фотоэлемент изображен на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое изображение фотоэлемента и схема его включения:

n – эмиттер, p – база.

1.1 ФотоЭДС на p-n переходе.

Вольт-амперная характеристика для активного режима работы (приложено внешнее напряжение) имеет вид:

. (1)

В отсутствии внешнего источника V _G=0, напряжение фотоэлемента приложено к нагрузочному сопротивлению и обусловлено фототоком при освещении фотоэлемента. Рассмотрим два частных случая уравнения (1).

1.2 Разомкнутая цепь.

При разомкнутой внешней цепи () ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотоэлемента будет максимальным и равным ЭДС фотоэлемента. Эту величину называют напряжением холостого хода V _ХХ. Из уравнения (1), при условии J = 0, получаем уравнение, позволяющее по известным значениям фототока J _ф и тока нагрузки J _s рассчитать напряжение холостого хода V _XX:

. (2)

Напряжение V _ХХ (фотоЭДС) можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотоэлемента вольтметр в отсутствие нагрузки. Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления p‑n перехода.

1.3 Режим с подключённой нагрузкой.

В режиме короткого замыкания напряжение на выводах фотоэлемента V _G = 0. Тогда из уравнения (1) следует, что ток короткого замыкания J _кз во внешней цепи равен фототоку J _Ф:

. (3)

Итак, в режиме короткого замыкания определяется величина фототока J _Ф.

1.4 Световая зависимость

Световая характеристика представляет собой зависимость величины фототока J _Ф от светового потока Ф, падающего на фотоэлемент. Сюда же относится и зависимость V _XX от величины светового потока. Количество электронно-дырочных пар, образующихся в фотоэлементе при освещении, пропорционально количеству фотонов, падающих на фотоэлемент. Поэтому фототок будет пропорционален величине светового потока

, (4)

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фотоэлемента. В фотодиодном режиме ток во внешней цепи пропорционален световому потоку и не зависит от напряжения V _G.

Рис. 2. Световая характеристика фотоэлемента.

Коэффициент пропорциональности К в уравнении (4) получил название интегральной чувствительности фотоэлемента.

Схема установки

1.5 Основные определения.

Свет — излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом.

Свет может рассматриваться как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов: частиц, обладающих определенной энергией и нулевой массой покоя.

Одной из характеристик света является его цвет, который определяется длиной волны. Физические величины, связанные со светом: яркость, освещённость, световой поток, световая отдача.

Видимый свет — электромагнитное излучение с длинами волн 400—700 нм (от фиолетового до красного).

Освещённость — освещение поверхности, создаваемое световым потоком, падающим на поверхность. Единицей измерения освещенности служит люкс. В отличие от освещённости, выражение количества света, отражённого поверхностью, называется яркостью.

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость увеличивается пропорционально косинусу угла падения лучей.

Освещенность E находят по формуле:

где I — сила света в канделах; r — расстояние до источника света; i — угол падения лучей света.

Освещённость определяют с помощью фотоэлектрического экспонометра.

Люкс (обозначение: лк, lx) — единица измерения освещённости в системе СИ.

Люкс равен освещённости поверхности площадью 1 м², при световом потоке падающего на неё излучения равном 1 лм.

Кандела (обозначение: кд, cd) — одна из семи основных единиц измерения системы СИ, равна силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·10¹² Герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср.

Выбранная частота соответствует зелёному цвету. Человеческий глаз обладает наибольшей чувствительностью в этой области спектра. Если излучение имеет другую частоту, то для достижения той же силы света требуется бо́льшая энергетическая интенсивность.

Ранее кандела определялась как сила света, излучаемого чёрным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 см² при температуре плавления платины (2042,5 К). В современном определении коэффициент 1/683 выбран таким образом, чтобы новое определение соответствовало старому.

Сила света, излучаемого свечой примерно равна одной канделе (лат. candela — свеча).

Люмен (лм, lm) — единица измерения светового потока в системе СИ.

Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света равной одной канделе, в телесный угол, величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд·ср). Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.

Экспозиция (в фотографии) — количество освещения, величина, определяющая воздействие светового облучения на фотоматериал (например, чувствительную эмульсию фотоплёнки) или фотоэлемент (в цифровой фотографии).

Экспозиция при съёмке зависит от времени воздействия света на фотоматериал (выдержки) и освещённости — плотности светового потока, падающего на поверхность материала. На практике при съёмке выдержка регулируется путём открытия затвора фотоаппарата на заданное время, а плотность светового потока — путём диафрагмирования объектива, т.е. вычисляется по формуле: экспозиция = интенсивность света х время воздействия. За счёт изменения выдержки и диафрагмы обеспечивается приведение количества светового облучения, которое попадает в объектив фотокамеры от снимаемого объекта, к тому, которое в состоянии воспринять фотоматериал, обладающий ограниченной чувствительностью.

В большинстве современных любительских фотоаппаратов определение экспозиции автоматизировано. В профессиональных фотоаппаратах автоматика определения экспозиции либо отключаема (полностью и частично), либо отсутствует (обычно в студийных камерах). Для определения параметров экспозиции (требуемого сочетания выдержки и диафрагмы в зависимости от чувствительности фотоматериала и освещённости объекта) используют различные экспонометры.

Экспонометр — прибор для вычисления параметров экспозиции (времени выдержки и числа диафрагмы).

Экспонометры делятся на:

· Оптические (сейчас практически не используются). Считывание времени выдержки или числа диафрагмы производится визуальным сравнением яркости соответствующих цифр с яркостью оптического клина переменной плотности. Основной недостаток — зависимость чувствительности глаза от общей окружающей освещённости, что может приводить к большим погрешностям.

· Фотоэлектронные. Поток света воспринимается электронным фотоэлементом, и необходимое значение считывается со шкалы по отклонению стрелки или с цифрового индикатора.

Чувствительность фотоматериала — степень восприимчивости фотоматериала к падающему свету. Чем более чувствителен к свету материал, тем меньшая экспозиция (общее количество света, определяемое сочетанием времени выдержки и числа диафрагмы) требуется для получения изображения нужной плотности.

Для фотоматериалов повышенной чувствительности характерно снижение разрешающей способности за счёт повышения зернистости химического слоя фотоплёнок и фотопластинок или увеличения уровня цифрового шума матриц цифровых фотоаппаратов.

В настоящее время наибольшее распространение получило указание чувствительности фотоматериала в единицах ISO.

Порядок работы:

1. Включить источник питания ТЕС23 и вольтметр;

2. Ручкой ФИНО на источнике питания установить максимальное отклонение стрелки люксметра;

3. Измерение фотоЭДС производить при отключенной кнопке люксметра;

4. Измерить освещенность в диапазоне 100 – 0 через 20 делений;

5. Рассчитать график U _ф = f (Lx);

6. Определить чувствительность фотоэлемента ;

7. Вывести ручку ФИНО на 0;

8. Выключить приборы.

Люксметр Ю116

Предназначен для измерения освещенности, создаваемой лампами накаливания и естественным светом, источники которого расположены произвольно относительно светоприемника люксметра. Переносной фотоэлектрический люксметр общепромышленного назначения применяется для контроля освещенности в промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и других отраслях народного хозяйства, а также для исследований, проводимых в научных, конструкторских и проектных организациях.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ:
Диапазон измерений люксметра от 0,1 до 100000 Lx
Класс точности 10
Шкалы прибора неравномерные, градуированы в люксах: одна шкала имеет 100 делений, вторая - 30 делений.
Пределы допустимой погрешности в основном диапазоне измерений 5-30 и 20-100 Lx (без насадок) не должны превышать -/+10% от значения измеряемой освещенности.

Габаритные размеры, мм:
210 х 125 х 85 - измерителя люксметра;
185 х 105 х 55 - фотоэлемента люксметра с насадками;
300 х 155 х 135 - футляра люксметра

Масса, кг, не более:
0,85 - без футляра
1,75 - в футляре.

Дата добавления: 2015-10-21