Лабораторная работа 7 исследование приборов с внешним фотоэффектом цель работы
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
Лабораторная работа №7 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИБОРОВ С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ Цель работы: исследование вакуумного, газонаполненного фотоэлементов и фотодиода; снятие основных характеристик и определение основных параметров фотоэлектрических приборов; ознакомление с работой фотореле. Описание лабораторной установки Исследуемые фотоэлементы расположены внутри стенда и защищены от попадания дневного света открывающейся крышкой. Вакуумный и газонаполненный фотоэлементы присоединены к источнику питания (рис. 7.1), напряжение которого регулируется от 0 до 250 В. Для снятия характеристик фотоприборов на лицевой панели стенда установлены измерительные приборы. Освещение каждого фотоприбора осуществляется двумя лампочками. Включение лампочек производится тумблером (как одной, так и обеих одновременно). Таким образом, имеется возможность менять величину светового потока от Ф1 = 0 до Ф2 = 2Ф1.  Рис. 7.1. Схема для снятия ВАХ фотоэлемента Задания по выполнению лабораторной работы 1. Ознакомиться с конструкцией фотоэлементов. 2. Исследовать вакуумный фотоэлемент типа СЦВ-3. Для этого необходимо: а) снять и построить динамические вольтамперные характеристики Ia = f(Ua) при RН = 100 кОм при двух значениях светового потока Ф1 = 0,015 Лм и Ф2 = 0,03 Лм; результаты эксперимента занести в таблицу и построить графики; б) по полученным характеристикам определить динамическую чувствительность SI ДИН. = ∆Ia/Ф, А/Лм для напряжений 20 и 100 В. 3. Исследовать газонаполненный фотоэлемент типа ЦГ-3, для этого необходимо: а) снять и построить динамические вольтамперные характеристики Ia = f(Ua) при RH =100 кОм при двух значениях светового потока Ф1 = 0,015 Лм и Ф2 = 0,03 Лм; результаты эксперимента занести в таблицу и построить графики; б) определить динамическую чувствительность прибора Si ДИН. для анодного напряжения 20 и 200 В. 4. Исследовать фоторезистор типа ФСК-Г1. Для этого необходимо: а) снять и построить статические вольтамперные характеристики Ia = f(Ua) при RH = 0 при двух значениях светового потока Ф1 = 0,015 Лм и Ф2 = 0,03 Лм; б) по полученным характеристикам определить динамическую токовую чувствительность для двух значений напряжения в пределах проведённых измерений; в) по полученным характеристикам определить чувствительность по напряжению SU дин. = ∆U/∆Ф при Ф = const. 5. Сравнить свойства изученных фотоэлементов. 6. Исследовать фотодиод (рис. 7.2). Для этого необходимо: а) изменяя регулируемое напряжение, построить статические вольт-амперные характеристики I = f(U) для двух значений светового потока Ф1 = 0 и Ф2 > 0; б) определить статическую токовую чувствительность SI = ∆Iф/Ф для RН = 0.  Рис. 7.2. Схема фотореле 7. Для напряжений 6 и 10 В и для двух значений светового потока Ф1 = 0 и Ф2 > 0, изменяя величину сопротивления нагрузки в пределах R1 ≤ RH ≤ R7, поcтроить зависимость величины токовой чувствительности SI от величины сопротивления нагрузки: SI = f(RH). 8. Изучить работу фотореле (фотодатчика) согласно схеме рис. 7.2. Создавая различную засветку фотоэлемента, определить порог срабатывания и отпускания фотореле по включению сигнальной лампы. Методические указания по выполнению лабораторной работы К пункту 2а. Установить тумблер В7 в положение «вакуумный». Ручку регулятора источника питания 0-250 В установить в крайнее левое положение. Вольтметр U1 должен показывать нулевое значение напряжения. Установить тумблер «СЦВ-З», находящийся в нижней части стенда, в положение F1. При этом загорается одна лампочка (убедиться, подняв верхнюю крышку). Изменяя напряжение U1 от 0 до 200 В, через каждые 20 В замерить по микроамперметру значения тока I1. Результаты эксперимента поместить в таблицу и построить графики зависимости Ia = f(Ua). Переключить тумблер «СЦВ-3» в положение F2. При этом фотоэлемент будет освещаться двумя лампочками. Повторить эксперимент. К пункту За. Установить тумблер В7 в положение «газонаполненный», а тумблер «ЦГ-З» в положение F1. Изменяя напряжение U1 от 0 до 200 В с интервалом 20 В, замерять значения тока I1. Повторить эксперимент, переключив тумблер «ЦГ-3» в положение F2. К пункту 4. Установить тумблер В2 в нижнее положение. Изменяя напряжение U1 от 0 до 250 В с интервалом 10 В, замерять значения тока l1. Повторить эксперимент для двух значений освещенности. К пункту 6. Установить тумблер В3 в верхнее положение, подключив катод диода ФД-1 к положительному зажиму источника питания (см. рис. 7.2). Установить переключатель B1 в крайнее левое положение (сопротивление нагрузки RН = 0) и, изменяя напряжение источника питания от 0 до 12 В, снять вольтамперные характеристики для величин светового потока Ф1 = 0 и Ф2 > 0. К пункту 7. Задание, изложенное в п. 7, выполняется после выполнения заданий, указанных в п. 6. Для снятия зависимости величины токовой чувствительности SI = f(RН) изменение сопротивления нагрузки осуществляют при помощи переключателя В1. Значение напряжения 6 и 10 В выставляется при помощи ручки движка потенциометра источника питания. Заданное значение светового потока устанавливается тумблером F включения подсветки ФД-1 в положении F = 0 и F1 > 0 или F2. К пункту 8. Фотореле (см. рис. 7.2) содержит следующие элементы: фотодиод ФД-1, резистор R8 = 2,2 кОм, транзистор типа МП42А, электромагнитное реле P1, состоящее из катушки P1 и замыкающего контакта KP1, лампы Л1. Схема работает следующим образом: со стороны источника питающего напряжения в цепь питания фотореле подается напряжение U2 = 20 В. При отсутствии освещенности фотодиод ФД1 закрыт. На базу транзистора подается положительный потенциал, транзистор закрыт, и через катушку P1 ток не протекает. Контакт КР1 реле Р1 разомкнут. Лампа не горит. Если величина освещенности фотодиода ФД1 превышает пороговое значение, то фотодиод открывается и на базу транзистора подается отрицательный потенциал, транзистор открывается, а через обмотку P1 протекает ток, в результате чего контакт КP1 замыкается и лампа Л1 загорается. Различная засветка фотоэлемента осуществляется изменением напряжения питания лампы осветителя при помощи рукоятки регулятора накала лампы, освещающей фотодиод ФД-1 (регулятор 0-12 В). Для исследования фотореле необходимо установить крайний правый тумблер ФД-1 в положение F1 и при помощи регулятора производить изменение засветки фотоэлемента. Включение и выключение фотореле сигнализируется лампой Л1, напряжение фиксируется по вольтметру U2 (см. рис. 7.2). Задания для домашней подготовки 1. Ознакомьтесь с принципом действия и конструкцией фотоэлектронных приборов. 2. Изучите методику снятия динамических вольтамперных характеристик для вакуумных фотоэлементов. Дайте определение динамической чувствительности фотоэлемента. 3. Рассмотрите принципы построения статических характеристик с использованием динамических характеристик фотоэлементов. 4. Для самоконтроля ответьте на следующие вопросы:
Содержание отчета Отчет по работе должен содержать:
Краткие теоретические сведения Фотоэлектрическими приборами называют электронные приборы, действие которых основано на явлениях, происходящих в веществе при поглощении им световых квантов – фотонов. Под действием фотонов электроны освобождаются от связей с атомами вещества и в нем появляются свободные носители зарядов. При поглощении фотонов могут наблюдаться два качественно различных процесса: 1) если в результате поглощения фотонов происходит выход свободных электронов за пределы облучаемого вещества, то такой процесс называется внешним фотоэффектом; 2) если образовавшиеся в результате воздействия света свободные электроны не покидают вещества, а только увеличивают число носителей заряда в веществе и, следовательно, увеличивают его удельную проводимость, то такой процесс называют внутренним фотоэффектом (сюда же относятся явления возникновения ЭДС под действием падающего света). В первом случае имеет место фотоэлектронная эмиссия. На основе этого явления работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. На базе второго случая работают фотосопротивления, фотодиоды. Фотоэлектронная эмиссия Под действием светового излучения электронные вещества могут получать дополнительную энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Необходимая энергия характеризуется работой АВЫХ, величина которой для многих материалов составляет несколько электрон-вольт (эВ). Оптическому диапазону соответствует энергия фотонов, достигающая 20 эВ. Световой поток может вызывать эмиссию электронов из различных материалов при определении энергии фотонов, которая определяется частотой излучения. Условие возникновения фотоэлектронной эмиссии определяется законом Эйнштейна: hγ = AВЫХ + mV2/2, где V – скорость эмиттирования электронов; m – масса электрона; γ – частота излучения; h – постоянная Планка. Как видно из приведенного уравнения, кинетическая энергия эмиттированного электрона не зависит от светового потока, а пропорциональна частоте излучения. Вакуумный фотоэлемент Электронный прибор, в стеклянном баллоне которого создан вакуум, как и в электронной лампе. Внутри имеются два электрода: анод (в виде проволочной петли или тонкой никелевой сетки) и катод (в виде тонкого слоя светочувствительного материала, покрывающего часть внутренней поверхности баллона; обычно применяются серебряно-кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые катоды). Условное графическое обозначение приборов представлено на стенде (см. рис. 7.1). При постоянной частоте облучения величина тока фотоэлемента прямо пропорциональна потоку света (рис. 7.3). При высоких значениях освещенности световая характеристика становится нелинейной. Крутизна уменьшается из-за образования объемного заряда у поверхности фотокатода. Нелинейность может явиться также следствием «утомления» фотокатода. При постоянной частоте облучения величина тока фотоэлемента зависит и от приложенного напряжения. При малых значениях анодного напряжения UА характеристики имеют крутой подъем. Однако довольно скоро возможности катода оказываются исчерпанными, поскольку все эмиттированные электроны достигает анода. Наступает режим насыщения, являющийся рабочим (рис. 7.4).  Рис. 7.3. Световая характеристика фотоэлемента  Рис. 7.4. ВАХ вакуумного фотоэлемента Темновой ток объясняется утечками между электродами. Рабочая температура не должна превышать 90 °С. В противном случае появляется термоэлектронная эмиссия. Срок службы фотоэлемента – примерно 1000 ч. Ионный фотоэлемент Устройство аналогично электронному, но в баллон вводится инертный газ (аргон) с давлением 10-2 мм рт. ст. В баллоне после соударения первичных электронов с частицами газа появляются вторичные, число которых значительно выше. Это явление называется эффектом «газового усиления» и характеризуется коэффициентом КГ, равным отношению фотопотока ионного фотоэлемента к фотопотоку электронного фотоэлемента: КГ = IИ/IЭ. Значения КГ достигают 6-10. Чувствительность возрастает в несколько раз. Питающее напряжение должно быть на 20-30 % ниже напряжения возникновения тлеющего разряда, что предотвращает гибель прибора, так как катод ионного фотоэлемента не рассчитан на большие токи. Основные технические данные для фотоэлементов, которые используются в данной работе, приведены в табл. 7.1. Таблица 7.1. Технические данные для фотоэлементов
|
||||||||||||||||||||||||||