Дослідження датчиків освітленості та фотореле

Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі датчиків освітленості.

Прилади та обладнання:

1.Універсальний лабораторний стенд.

2.Люксметр.

3.Фотодатчики.

4.Лампа розжарювання ~220В 75Вт.

5.Вимірювальні прилади постійного струму – мА, мкА, В.

6.З”єднувальні провідники.

Основні теоретичні положення:

У сільськогосподарській техніці датчики освітленості використовують в складі пристроїв, що забезпечують сортування продуктів (томатів, яблук, полуниці та ін.) за кольором та визначення якості на просвічування (зерна, яєць), у регуляторах освітленості та інтенсивності опромінення у теплицях, у тваринництві та птахівництві, у пристроях автоматичного вмикання та вимикання вуличного освітлення, у вимірювачах забрудненості повітря та рідин, у газоаналізаторах, у пристроях контролю полум’я у топках, у різноманітних захисних пристроях, в складі датчиків переміщення, тиску, рівня та ін. пристроях.

Чутливими (сприймаючими) елементами датчиків є вакуумні фотоелементи, фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори (рис.1,а).

Фоторезистор - напівпровідниковий прилад, у якому під дією світла зростає кількість вільних електронів, а значить, і електропровідність. Зростання електропровідності напівпровідника під дією світлової енергії називають внутрішнім фотоефектом. Фоторезистор у більшості випадків представляє собою нанесену на скляну пластину 5 тонку шару напівпровідникової речовини 4. До протилежних боків напівпровідникового матеріалу прикріплюють металеві електроди 1, призначені для вмикання фоторезистора у електричне коло. Пластинку з нанесеним на неї напівпровідниковим матеріалом запресовують у пластмасову форму 2 з отвором (робочим вікном) для проходження променей. Робоче віконце покривають світлопроникливим лаком 3.

Фоторезистори характеризуються відносно високою світлочуттєвістю, простотою конструкції, малими габаритами, відносно значною потужністю розсіювання та практично необмеженим терміном служби. Вони можуть працювати у колах постійного та змінного струму. Такі якості обумовили широкі сфери застосування фоторезисторів. До недоліків фоторезисторів слід віднести деяку залежність їх параметрів від температури та нелінійну залежність сили фотоструму від світлового потоку, а також деяку інерційність (постійна часу фоторезисторів у межах при світловому потоці лм).

Вакуумний фотоелемент – вакуумна або наповнена газом лампа з катодом К з світлочуттєвого матеріалу, нанесеного на жорстку основу – “підложку” (внутрішню поверхню скляного балону), та анодом А у вигляді кільця або пластини (рис.1,б).

Вакуумні фотоелементи як правило працюють у режимі насичення, коли фотострум залежить тільки від освітленості та не залежить від прикладеної напруги.

На відміну від фоторезистора електрони, які в результаті дії фотоефекту отримали енергію та стали вільними носіями зарядів (фотоелектрони), не залишаються у освітленому шарі, а віддаляються від нього (зовнішній фотоефект). Для збільшення чутливості колбу вакуумного фотоелемента заповнюють інертним газом. Фотоелектрони, зіштовхуючись із атомами газу, іонізують його та під дією електричного поля підсилюють струм. Такі фотоелементи називають іонні.

Вакуумні фотоелементи інерційні, “старіють” в процесі експлуатації, тобто втрачають стабільність характеристик та параметрів з часом.

Фотодіод – напівпровідниковий приймач променистої енергії, у якому відбувається направлений рух носіїв струму під дією енергії оптичного випромінювання (Рис.1,в). Працюють у двох режимах: фото-перетворювальному - із зовнішнім джерелом живлення та фотогенераторному – без джерела живлення. На p-n-перехід фотодіода подається напруга постійного струму зворотної полярності по відношенню до прямого вмикання. При освітленні відбувається генерація носіїв зарядів, котрі під дією електричного поля на межі p-n-переходу створюють різницю електричних потенціалів. Фотоперетворювальний режим дає значне підвищення світлочутливості, що неможливо у звичайних вентильних фотоелементів.

Фототранзистор – напівпровідниковий приймач променистої енергії, що має направлений рух носіїв зарядів та властивості підсилення фотоструму під дією енергії оптичного випромінювання (Рис.1,г). Конструктивно фототранзистор представляє собою напівпровідникову пластину з трьома областями, що йдуть по черзі: p-n-p – або n-p-n – провідності. Ці області мають контактні виводи для вмикання фототранзистора у схему. Базова область Б доступна для проникнення світла. Під дією світла у базовій області утворюються пари електрон-дірка, які під впливом електричного поля діффундують у емітерну Е та колекторну К області транзистора. В результаті утворюється струм, що протікає через емітерно- базовий перехід та підсилює струм колектора (аналогічно тому, як це відбувається у звичайному напівпровідниковому транзисторі). Фототранзистори порівняно з фотодіодами мають додаткові можливості. Їх роботою можна керувати не тільки за рахунок світлового потоку, але й електричним сигналом одночасно. Крім того чутливість фототранзисторів набагато вища. Вмикання фототранзистора практично не відрізняється від вмикання звичайних транзисторів. Найбільш розповсюдженою є схема із загальним емітером. Іноді фототранзистори вмикають по схемі із вільним емітером або вільною базою (у діодному режимі).

Рис.1. Схеми вмикання:

а) – фоторезистора; б) – вакуумного фотоелемента; в) – фотодіода;

г) – фототранзистора; д) – фототиристора.

Фототиристор – чотиришаровий напівпровідниковий прилад з p-n-p-n-переходами, керуємий світлом (рис.1,д).Фототиристори поєднують у собі позитивні властивості тиристора та перетворювача оптичної енергії у електричну. Принцип дії фототиристора подібний до принципу дії фототранзистора. Під дією освітленості у напівпровідниковому шарі відбувається генерація пар електрон-дірка, які під впливом прикладеного електричного поля беруть участь у зростанні струму, що протікає через структуру фототиристора. Дія світла на p-n-p-n-структуру має той самий ефект, що і дія струму керуючого електроду КЕ у тиристорів. Але світлове керування фототиристорами має важливу перевагу порівняно з електричним, так як воно не передбачає гальванічного зв”язку з силровим колом та дозволяє використати керуючий електрод для інших схемних призначень, наприклад, для встановлення необхідних чутливостей або температурної стабілізації. Порівняно з фотодіодами та фототранзисторами фототиристори мають більшу інтегральну чутливість. Крім того вони мають велику навантажувальну здатність за малої потужності керування, високу швидкодію, великий діапазон робочих напруг. Фототиристори використовують у фотореле, у оптоелектронних пристроях, в якості вихідних силових безконтактних елементів. Фототиристори можуть витримувати значні(до десятків А) сили струми при напрузі сотні В.

Фотоварікап – напівпровідниковий прилад, ефективна ємність якого змінюється в залежності від інтенсивності та спектрального складу світлового потоку. В якості фотоварікапів використовують вентильні сірністо-срібні фотоелементи та структурні фотоємкості на основі сірчастого кадмію, сірчастого свинцю, кремнію та германію.

Світлодіоди – випромінюючі світлову енергію напівпровідникові діоди, працюючі на явищі електролюмінісценції при протіканні струму у напівпровідниках з p-n-переходом. Світлодіоди знаходять дуже широкі схери застосування, враховуючи їх переваги: мала потужність споживання, значний термін служби, висока швидкодія, висока чутливість, сумісність з цифровими пристроями та деякі інші.

Властивості фотосприймаючих елементів визначають характеристиками та параметрами, з яких головними для схем автоматизації є світлові та вольт-амперні характеристики (рис.2 та рис.3).

Світловою характеристикою називають залежність фотоструму від світлового потоку Ф (освітленості Е) за незмінної прикладеної напруги.