Автоматическое растормаживание колес: Тормозные устройства колес предназначены для уменьшения длины пробега и улучшения маневрирования ВС при...
Адаптации растений и животных к жизни в горах: Большое значение для жизни организмов в горах имеют степень расчленения, крутизна и экспозиционные различия склонов...
Топ:
Устройство и оснащение процедурного кабинета: Решающая роль в обеспечении правильного лечения пациентов отводится процедурной медсестре...
Особенности труда и отдыха в условиях низких температур: К работам при низких температурах на открытом воздухе и в не отапливаемых помещениях допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие...
Характеристика АТП и сварочно-жестяницкого участка: Транспорт в настоящее время является одной из важнейших отраслей народного хозяйства...
Интересное:
Мероприятия для защиты от морозного пучения грунтов: Инженерная защита от морозного (криогенного) пучения грунтов необходима для легких малоэтажных зданий и других сооружений...
Средства для ингаляционного наркоза: Наркоз наступает в результате вдыхания (ингаляции) средств, которое осуществляют или с помощью маски...
Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов: Изучение оползневых явлений, оценка устойчивости склонов и проектирование противооползневых сооружений — актуальнейшие задачи, стоящие перед отечественными...
Дисциплины:
2017-12-20 | 583 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Допустим, что в схеме, представленной на рис. 3.17, б, мы приложили прямое напряжение к фотодиоду (″+″ на p -область), не освещая его, и снимаем вольтамперную характеристику (рис. 3.17, д, I квадрант, кривая 1).
При прямом смещении ВАХ неосвещенного фотодиода идентична вольтамперной характеристике обычного диода. Данный режим идентичен рассмотренному выше режиму фотопреобразователя, однако, теперь к фотодиоду подключается источник с полярностью, указанной на рис. 3.17, б, так что p-n -переход смещен в прямом направлении. Анализируемому режиму работы фотоэлемента соответствует серия ВАХ, расположенных в I квадранте. Если облучение отсутствует, то увеличение внешнего напряжения U вызывает увеличение прямого тока I за счет диффузионного потока основных носителей, аналогично обычному диоду (кривая 1, I квадрант).
Зафиксируем прямое напряжение Uа (рис. 3.17, д). При облучении в результате увеличения концентрации неосновных носителей, двигающихся за счет дрейфа встречно диффузионному потоку основных носителей, прямой ток фотодиода уменьшается, и ВАХ смещается ²вниз².
При подключении к фотодиоду внешнего прямого напряжения U и облучении потоком Ф ток фотодиода определяется выражением
I (U, Ф) = Is (e U /jт – 1) – I ф. (3.31)
Обратим внимание, что при освещении во всех квадрантах ВАХ фотодиода смещаются ″вниз″, но по разным причинам.
Режим фотогенератора
Фотоэлементом – прибор с выпрямляющим р-n -переходом, предназначенный для преобразования световой энергии в электрическую.
В данном случае в схеме (рис. 3.17, в, г) отсутствует внешний источник питания. Фотодиод как фотоэлемент работает в двух режимах: холостого хода ХХ (в) и короткого замыкания КЗ (г).
|
В режиме холостого хода (рис. 3.17, в) ток через фотодиод отсутствует (внешний источник и нагрузка не подключены). Если облучение отсутствует, то на контактах фотодиода напряжение, естественно, равно нулю U ф = 0.
По мере облучения фотодиода заряд носителей, перешедших через переход (²+² дырок - слева, ²-² электронов - справа), возрастает. За счет этих зарядов образуется дополнительная разность потенциалов между границами p-n -перехода – возникает фото-ЭДС (²+² в р -области). Другими словами, в режиме ХХ (при I = 0) при освещении на границах p-n- перехода появляется заряд, а, значит, на контактах А и К облучаемого фотодиода появляется ЭДС, называемая фото-ЭДС (полярность указана на рис. 3.17, в).
По мере увеличения светового потока Ф (лм) и накопления указанного заряда, напряжение холостого хода U хх, отмечаемое на правой части оси абсцисс (рис. 3.17, д), возрастает. Другими словами, точки пересечения ВАХ с осью напряжения U (при токе, равном нулю) соответствуют значениям фото-ЭДС или напряжения холостого хода при различных световых потоках Ф.
Фото-ЭДС, равная напряжению U хх(Ф), не может превышать контактной разности потенциалов Dj0: для кремниевых фотодиодов максимальное напряжение U хх не превышает 1 В.
В режиме короткого замыкания (рис 3.17, г) контакты фотодиода замыкаются накоротко. В отличие от предыдущего случая, через диод идет ток, так что значениям токов короткого замыкания при различных уровнях освещенности соответствуют точки пересечения ВАХ с нижней осью токов (ось ординат).
В режиме короткого замыкания напряжение между контактами А и К фотодиода равно нулю, но ток в диоде равен фототоку, т.е.
I = - I ф = - Si Ф. В режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. Плотность тока короткого замыкания у кремниевых фотоэлементов при освещенности солнечным светом обычно 20-25 мА/см2.
Поскольку в режиме работы фотоэлемента фотодиод подключается к произвольной нагрузке (резистор сопротивлением 0 < R < ¥ обозначен пунктиром на рис. 3.14, г), то реальные случаи включения фотоэлемента описываются ВАХ, лежащими в IY квадранте (рис. 3.17, д, обозначены пунктиром). С учетом этих ВАХ при различных освещенностях можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, и таким образом определить оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность.
|
Фотодиоды находят применение как приемники оптического излучения (фотоприемники), элементы солнечных батарей и т.п.
Люксметр - прибор, включающий в себя фотодиод, подключенный к вольтметру, который проградуирован в единицах освещенности Е (люкс).
К основным характеристикам фотодиодов можно отнести: диапазон длин волн активного излучения; интегральную чувствительность Si, темновой ток I т и постоянную времени t.
Обозначение фотодиода состоит из букв ФД и номера разработки. Например, фотодиод ФД24К имеет интегральную чувствительность Si = 0,5 мкА/лк и темновой ток 1 мкА. В связи с небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть внешним или расположенным в одном корпусе вместе с фотоприемником.
3.5.4. Описание установки
Схема измерения представлена на рис. 3.18. Генератор 1 импульсного электрического сигнала вырабатывает периодический сигнал для включения светодиода 2. Частота f, период T повторения импульса изменяется с помощью плавной и ступенчатой регулировки на генераторе 1.
Рис. 3.18. Блок-схема испытаний
Световой сигнал светодиода 2 облучает фотодиод 6 (ФД), фоторезистор 3 или приемный элемент (фотодиод) люксметра 5.
Если импульсный свет облучает фотодиод, работающий в режиме фотогенератора, то на контактах ФД появляется импульс ЭДС U хх (напряжения холостого хода), регистрируемый осциллографом 4. Форма импульсного сигнала ЭДС фотодиода близка к прямоугольной, время импульса t и определяется как длительность импульса на уровне 0,5 U 0 (рис. 3.19, д).
При испытании фоторезистора 3, последний включается в цепь постоянного тока (рис. 3.18). Источник 7 постоянного ЭДС Е п предназначен для формирования тока в цепи фоторезистора. В том случае, когда импульсный свет падает на фоторезистор 3, в цепи возникает импульсный фототок (рис. 3.19, в), обусловленный модуляцией (изменением) проводимости материала.
|
Сила тока через фоторезистор может быть измерена приборами, который включается последовательно с фоторезистором.
Если в цепи фоторезистора протекает постоянный фототок, то можно использовать амперметр постоянного тока. Если фототок – импульсный, то следует применять амперметр электромагнитной системы, измеряющий действующее значение тока.
Если амперметр отсутствует, то ток в цепи фоторезистора может быть оценен по результатам эксперимента. В данном случае последовательно с фоторезистором включено измерительное сопротивление R изм = 3000 Ом, с которого снимается напряжение UR изм, которое имеет постоянную (в отсутствие импульса света) и импульсную составляющую (при импульсном облучении). Форма напряжения UR изм регистрируется с помощью осциллографа 4. Зная параметры ЭДС Е п источника питания постоянного тока, величину тока I ф, протекающего в цепи фоторезистора, величину измерительного резистора R изм, можно рассчитать значение сопротивления фоторезистора R ф= по постоянному току при различных условиях облучения.
Рис. 3.19. Осциллограммы импульсных сигналов
Светодиод 6, который управляется электрическим импульсом от генератора, заключен в корпус (вилку) стандартного разъема (радиочастотного соединителя). Оптический сигнал от светодиода передается через оптико-волоконный кабель к фотодиоду или фотосопротивлению с помощью второй половины (розетки) стандартного разъема, закрепленного на корпусе блока (рис. 3.18).
Для определения освещенности, которую создает излучение светодиода на поверхности фотодиода или фоторезистора, может использоваться люксметр 5, с помощью которого производится контроль освещенности объектов (в люксах) на градуированном приборе.
С помощью осциллографа можно измерить параметры импульсного светового сигнала, к которым относятся: период сигнала (импульса) Т, частоту сигнала f = 1/ Т, время импульса t и, величины скважности q = T / t и и заполнения импульсов g = 1/ q; время переднего фронта t ф, время среза t с (задний фронт) (рис. 3.19, д).
В первом приближении световой поток Ф(t) оптического импульса (рис. 3.19, а) светодиода 2 имеет форму прямоугольного сигнала.
|
Фотодиоды являются быстродействующими оптическими фотоприемниками, в которых время рекомбинации носителей мало (время жизни t - микросекунды и доли микросекунд), поэтому, как правило, импульс фото-ЭДС U хх, снимаемый с фотодиода, характеризуется малыми временами переднего фронта и среза (рис. 3.19, б, д).
Для фоторезисторов характерны значительные времена рекомбинации носителей, а, значит, большие значения постоянной времени t (до миллисекунд). Поэтому, когда происходит облучение фоторезистора, передний фронт и срез импульса тока, протекающего при импульсном облучении, будут отличаться от прямоугольной формы (рис. 3.19, г, д), т.к. неравновесные носители заряда появляются и исчезают по экспоненциальному закону, описываемому соотношениями (3.7) и (3.8).
Заметим, что через время, равное (4-5)t после прекращения облучения, процесс рекомбинации носителей полностью завершен (рис. 3.5, д).
Протекая через измерительное сопротивление R изм (рис. 3.18), импульсный фототок I ф(t) (рис. 3.19, в) создает на данном резисторе импульсное напряжение UR (t) (г), пропорциональное току I ф(t). Форма и параметры этого напряжения, подаваемого вход Y осциллографа, могут быть изучены в процессе испытаний.
Поскольку при импульсном освещении средний фототок отличается от темнового тока, в целом фототок I ф(t) и напряжение UR (t) имеют постоянные (I ф=; UR =) и переменные (I ф≈; UR ≈) составляющие (рис. 3.19, в, г, д), которые могут быть оценены независимо.
Методика определения значений постоянных и переменных составляющих с помощью осциллографа описана ниже.
Величина t может быть рассчитана из соотношения (3.23) и оценки формы напряжения UR ≈(t) импульсного сигнала, снимаемого с резистора R изм и пропорционального фототоку фоторезистора I ф≈(t).
Согласно процедуре, описанной выше, постоянная времени t рассчитывается как время, в течение которого напряжение импульсного UR ≈(t) сигнала уменьшается в е (2,71) раз от максимального значения, наблюдаемого на экране осциллографа (рис. 3.15, е; 3.19, д): UR ≈(t 0)/ UR ≈(t 0 + t) = 2,71.
Световой поток Ф, падающий на фотодиод, определяется:
Ф = ЕS, лм, (3.32)
где Е - освещенность, лк, S – площадь чувствительной поверхности фотодиода, S» 10–6 м3.
Величина удельной интегральной чувствительности фотодиода может быть оценена по соотношениям (3.26) – (3.27).
Конструкция стенда может быть представлена следующим образом (рис. 3.20). В состав схемы входят следующие кабели:
I – контроль выходного сигнала (подключается к осциллографу к входу Y; может иметь синхронизирующий контакт, подключаемый к входу Х);
II – кабель питания импульсного светодиода от генератора импульсов.
III – кабель питания (постоянное напряжение до 15 В) от источника постоянного напряжения к гнезду питания фоторезистора.
|
IY – оптико-волоконный кабель для передачи светового сигнала от источника (светодиода) к приемнику излучения (фотодиоду или фоторезистору).
Электрический импульсный сигнал от генератора (рис. 3.18) поступает на светодиод. Фотодиод и фоторезистор, помещенные в розетки корпусов радиочастотных разъемов, облучаются оптическими импульсами светодиода.
Рис. 3.20. Блок фотодиода и фоторезистора с кабелями
В зависимости от положения переключателя П (рис. 3.6) к осциллографу подключаются фотодиод или резистор R изм, напряжение на которых анализируется по осциллограммам.
Подготовка к работе
Лабораторная работа относится к теме: ″Фотоприемники″, ″Фотодиоды″. Предварительно необходимо выполнить задания контрольной работы (РГЗ).
В "заготовке" к работе следует описать:
– механизмы фотоэлектрических явлений, понятие о времени жизни носителей; формулы, описывающие измерение фототока со временем;
– строение, характеристики, параметры фоторезистора и влияние различных факторов;
– строение, характеристики, параметры фотодиода и влияние различных факторов;
– схему опыта и методы определения времени жизни носителей;
– осциллограммы сигналов на фотодиоде и фоторезисторе при облучении;
– методику расчета t;
– применение фотоприемных устройств: люксметр, солнечные батареи, оптоэлектронные пары и другие;
– таблицы для испытаний.
Измерения и обработка результатов
1. Установление начальных значений приборов.
Установите на осциллографе следующие примерные значения:
– делитель (Д) -100; усиление (У) - 10 мВ/дел. Амплитуда сигнала определяется: N (дел)×У×Д = N ×1000 мВ; – развертка (Р): 10 мс/дел; множитель (М): 0,3. Время сигнала определяется: N (дел)×Р×М = N ×2 с.
Источник питания фоторезистора выключен.
2. По разрешению преподавателя включите осциллограф и прогрейте его в течение не менее 2 мин. Включите генератор электрических импульсов и прогрейте его в течение 2 мин. Установите начальную частоту 15 - 20 Гц (режим: прямоугольный импульсный сигнал).
Подключите к выходу генератора кабель питания 2 импульсного светодиода, не подключая его к блоку фотодиода и фоторезистора. При прогретом генераторе должно быть видно отчетливое мигание светодиода, по мере увеличения частоты генератора мигание светодиода "прекращается" вследствие инерционности глаза.
Плавно изменяя частоту f электрических импульсов, определите предельную максимальную частоту f мах, ниже которой глаз воспринимает сигнал как прерывистый, импульсный (табл. 3.8) и выше которой глаз воспринимает световой сигнал как непрерывный.
Проведите испытание не менее трех раз и рассчитайте среднее значение f мах ср.
Таблица 3.8.
Параметр | f мах, Гц | f мах, Гц | f мах, Гц | f мах ср, Гц |
Значение | ? | ? | ? | ? |
|
|
Семя – орган полового размножения и расселения растений: наружи у семян имеется плотный покров – кожура...
Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...
Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...
Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!