Стислі теоретичні відомості

В напівпровідникових фотоелементах діє внутрішній фотоефект. Він породжується взаємодією квантів світла з електронами, які містяться у речовині фотоелемента. Але, на відміну від зовнішнього фотоефекту, електрони через збільшення енергії не виходять за межі твердого тіла.

В цій лабораторній роботі досліджуються два фотоелементи – фоторезистор та фотодіод. Розгляд їх роботи буде проведений із застосуванням принципу «чорної скриньки». В основі цього принципу лежить ствердження: для того, щоб успішно скористатися тим чи іншим технічним об’єктом, не обов’язково знати його устрій та внутрішні процеси в ньому.

Достатньо знати, як об’єкт відреагує на певний зовнішній вплив. Наприклад, можна зігріти їжу у мікрохвильовій печі, не маючи навіть згадки про те, як вона влаштована і як працює. Достатньо знати, що і як треба покрутити.

Цей принцип діє не тільки на «побутовому» рівні. Його успішно використовують під час вирішення серйозних технічних задач. Для застосування цього принципу достатньо мати інформацію про те, як позначиться на дії технічного пристрою певні значення величин, які створюють зовнішні впливи.

Така інформація зазвичай надається або у вигляді функціональних залежностей, або у вигляді чисел. При цьому такі функціональні залежності називають характеристиками, а такі числа – параметрами пристрою.

На зміну світлового потоку, який потрапляє на фоторезистор, він відреагує зміною свого електричного опору. Про це можна сказати інакше, якщо застосовувати терміни інформаційної електроніки. А саме: фоторезистор – це електронний прилад, який перетворює світловий потік на електричний опір та для якого світловий потік є вхідною величиною, а опір – вихідною.

Лабораторне дослідження фоторезистора полягає у визначенні сімейства вольтамперних характеристик (ВАХ). Для кожного окремого значення світлового потоку ВАХ є прямою лінією, яка займає певне положення на координатній площині. В разі зміни світлового потоку положення ВАХ змінюється (рис.5.1).

Достатньо мати дві ВАХ, щоб можна було визначити параметр фоторезистора, який має назву «чутливість». В техніці чутливістю якогось пристрою називають відношення приросту його вихідної величини до приросту вхідної величини.

Чутливість фоторезистора визначається таким чином. Якщо надати світловому потоку деякий приріст Δ F, станеться приріст Δ R опору фоторезистора. Відношення цих величин і є чутливість .

Для розрахунку значення S скористаємось рис.5.1, на якому зображено сімейство з двох ВАХ фоторезистора. Виберемо на вісі абсцис довільну точку з координатою U ₁. Проведемо через цю точку перпендикуляр до вісі абсцис. Він перетне характеристики у точці 1 з координатами (U ₁, І ₁) і в точці 2 з координатами (U ₁, І ₂). Для кожної точки можна за законом Ома розрахувати значення світлових опорів R ₁ та R ₂, а після цього розрахувати приріст опору Δ R = R ₂ – R ₁.

Використавши відомі значення світлових потоків (F ₁ = 0,3 лм та F ₂ = 0,6 лм) можна розрахувати Δ F = F ₂ – F ₁, а потім S за наведеною формулою.

Фоторезистор є напівпровідниковим приладом з двосторонньою провідністю, тобто зміна полярності прикладеної напруги не спричиняє зміну величини струму. Фотодіод же, як і всі діоди, є напівпровідниковим приладом з односторонньою провідністю – зміна полярності прикладеної напруги супроводжується значною зміною величини струму.

Фотодіод має два режими роботи. У фотогенераторному режимі вихідною величиною фотодіода є фото-ЕРС, значення якої пропорційно світловому потоку. У фотоперетворювальному режимі вихідною величиною фотодіода є фотострум, значення якого пропорційне світловому потоку і не залежить від прикладеної напруги.

Електричне коло з фотодіодом у фотогенераторному режимі не потребує зовнішнього джерела електричної енергії, оскільки таким джерелом є сам фотодіод. Для електричного кола з фотодіодом у фотоперетворювальному режимі необхідне зовнішнє джерело, при цьому його включення повинне забезпечити зворотну полярність включення фотодіода.

Лабораторне дослідження фотодіода полягає у вивченні його навантажувальної характеристики у фотогенераторному режимі та вольтамперної характеристики у фотоперетворювальному режимі. Навантажувальна характеристика – це залежність фотоструму від опору навантаження. Навантаженням фотодіода у даному випадку служать резистори з різними значеннями опору. В схемі лабораторного макета задіяний перемикач, який дозволяє почергово підключати ці резистори до фотодіода.

Порядок виконання роботи.

1. Виконати підготовку до лабораторної роботи.

2. Зібрати схему дослідження фоторезистора ФСК-Г1 (рис. 5.2).

Рис.5.2.

3. Зняти вольтамперні характеристики: при для двох значень світлового потоку: F ₁ і F ₂. Одержані результати занести в табл. 5.1

Таблиця 5.1

U, В
F 1	I, мА
F 2	I, мА

4. Побудувати на одному графіку вольтамперні характеристики фоторезистора. Розрахувати світлові опори фоторезистора для двох значень світлового потоку: F ₁ =0,3 лм і F ₂ = 0,6 лм. Розрахувати чутливість фоторезистора при напрузі, рівній 50 В.

5. Зібрати схему дослідження фотодіода ФД-1 при роботі у фотогенераторному режимі (рис. 5.3).

 

Рис.5.3.

6. Зняти навантажувальні характеристики при двох значеннях світлового потоку: F ₁ і F ₂. Результати занести в табл. 5.2.

Таблиця 5.2

R н, кОм			5,1				0,1
F 1	, мкА
F 2	, мкА

7. Побудувати на одному графіку обидві навантажувальні характеристики. Розрахувати чутливість фотодіода при =5,1 кОм.

8. Зібрати схему дослідження фотодіода ФД-1 у фотоперетворювальному режимі (рис.5.4). Встановити Е = 10 В.

Результати занести в табл. 5.3

Таблиця 5.3

, кОм			5,1				0,1
F 1	, мкА
F 2	, мкА
F1	U, B
F2	U, B

 

Рис.5.4

9. Розрахувати для кожного значення струмувідповідне значення напруги на фотодіоді за формулою

Результати занести в табл. 5.3

10. За результатами розрахунку побудувати – вольтамперні характеристики фотодіода ФД-1.

11. Зробити висновки по роботі.

Контрольні питання.

1. Що таке внутрішній фотоефект?

2. Поясніть різницю між конструкцією фото резистора та конструкцією фото діода.

3. Що таке «чутливість електронного приладу»?

4. Які існують режими роботи фотодіода і в чому полягає різниця між ними?

5. Що таке «принцип чорної скриньки»?

6. Що таке навантажувальна характеристика?

7. Назвіть області використання фотодіодів та фоторезисторів.

8. В яку фізичну величину перетворює світловий потік фотодіод у фотогенераторному режимі?

9. В яку фізичну величину перетворює світловий потік фотодіод у фотоперетво-рювальному режимі?

Лабораторна робота №6
Дослідження малопотужного джерела живлення

Мета роботи: вивчити схеми однофазних джерел живлення при різних навантаженнях; дослідити роботу згладжуючих фільтрів.