Физика Электроника

Лабораторные работы по электронике

Лабораторная работа «Фотоэлектрические преобразователи - Фотодатчики»

Фотопреобразователем (фотодатчиком, фотоэлементом) называется электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Фотодатчики могу регистрировать и преобразовывать как видимое излучение, так и невидимое (инфракрасное, ультрафиолетовое).

Основные понятия

Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом в диапазоне частот, воспринимаемых человеческим глазом (380—780 нм, от фиолетового до красного).

Свет может рассматриваться и как электромагнитная волна, и 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.

Понятие излучения связано, прежде всего, с переносом в пространстве некоего количества энергии - энергии излучения. Для оценки этой энергии был введен аналог понятия мощности - поток энергии.

Поток энергии - это величина, равная отношению энергии, переносимой излучением, к интервалу времени, за который эта энергия переноситься. Если обозначить это время как dt, а энергию, переносимую излучением, как dQe, то поток энергии Фe можно определить как:

Свет представляет собой, как правило, сложное излучение, то есть совокупность (спектр) простых (монохроматических) излучений с определенной длиной волны. Для оценки вклада каждого монохроматического излучения в общий спектр, вводят еще одно понятие - спектральная плотность потока излучения (спектральная мощность излучения) Фλ. Эта величина есть функция длины волны и определяется как отношение потока энергии в бесконечно малом диапазоне около некоторого значения длины волны к этому диапазону.

Известно, что человеческий глаз воспринимает разное излучение по-разному. В зависимости от длины волны, излучение одинаковой мощности вызывает различную реакцию. Например, излучение с длиной волны 300 нм мы вообще не увидим, а излучение той же мощности, но с длиной волны 555 нм будет видно лучше, чем любое другое. Чтобы учесть все эти особенности Международной комиссией по освещению (МКО) была введена функция V(λ) - относительная спектральная световая эффективность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО (для дневного зрения).

Функция эта не равна нулю во всем диапазоне видимого света, а максимум функции V(λ) приходится на длину волны 555 нм, которой соответствует наиболее сильная реакция среднестатистического глаза.

Для вычисления величины светового потока необходимо проинтегрировать в видимом диапазоне частот спектральную плотность потока излучения Φλ:

где Km - фотометрический эквивалент излучения (Km=683 лм/Вт)

Для оценки излучения по его действию на глаз человека ввели новую систему - систему световых величин, основной единицей которой стал люмен.

Люмен (лм, lm) — единица измерения светового потока в системе СИ. Излучение с длиной волны 555 нм и потоком (мощностью) 1 Вт эквивалентно 683 люменам светового потока.

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.

Важным понятием является сила света. Сила света в заданном направлении - это отношение светового потока, распространяющегося равномерно в бесконечно малом телесном углу, к величине этого угла. Другими словами - это пространственная плотность светового потока.

Сила света по различным направлениям - это очень важная характеристика любого светильника и светового прибора: она показывает, каким образом прибор "светит" в пространство вокруг себя. Единица силы света – кандела (обозначение: кд, cd). Она является одной из основных единиц системы СИ и численно равна силе света светового потока, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·1012 Гц мощностью 1/683 [Вт/стерадиан].

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.

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 большая энергетическая интенсивность.

Сила света некоторых типичных источников:

Свеча – 1 кд;

Современная лампа накаливания (100 Вт) – 100 кд;

Светодиод – 0,001 кд.

Светимость - плотность светового потока по поверхности излучателя, то есть отношение потока, излучаемого бесконечно малым участком излучателя, к площади этого участка.

Освещенность - плотность светового потока по освещаемой поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). Один люкс - это освещенность, которую имеет поверхность площадью 1 м2 с падающим на нее световым потоком в 1 люмен.

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.

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.

Параллельный контур

Для схемы рис. 3.7 провести измерения, аналогичные п. 3.

Определить добротность контура методом ударного возбуждения.

С этой целью подать от генератора на вход контура последовательность импульсов прямоугольной формы. Подобрать их частоту так, чтобы на экране осциллографа получилось изображение, аналогичное рис. 3.2.

По полученной осциллограмме определить число m периодов колебаний, на протяжении которых амплитуда собственных колебаний контура уменьшается в 2 раза. Рассчитать по (3.15) добротность контура.

Контрольные вопросы

Какими параметрами характеризуется колебательный контур?

Какие электромагнитные колебания в контуре называются собственными; вынужденными?

Чем определяется частота свободных колебаний в контуре?

Лабораторная работа № 4

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Цель работы. Ознакомление с принципом работы полупроводниковых диодов. Теоретическое и экспериментальное определение некоторых характеристик и параметров полупроводниковых диодов и стабилитронов.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковая структура с выпрямляющим эффектом. Важнейшим электрическим свойством этих структур является односторонняя проводимость, которая позволяет использовать диоды в таких устройствах, как выпрямители, детекторы, ограничители уровней сигналов и др. Следует отметить, что существуют также диоды, содержащие несколько выпрямляющих переходов, а также диоды, не содержащие таких переходов вообще (диод Ганна).


Диоды классифицируют по различным признакам. По виду электрического перехода – точечные, плоскостные; по характеру физических процессов, протекающих в переходе – туннельные, лавинно-пролетные; характеру преобразования энергии сигнала – светодиоды, фотодиоды; технологии изготовления – сплавные, диффузионные, эпитаксиальные; назначению – выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и т.д.

ВАХ идеального диода представлена на рис. 4.1 а. Аналитически ВАХ может быть описана следующей формулой:

 

(4.1)

где I0 — обратный ток насыщения, jT=kT/q – температурный потенциал (k – постоянная Больцмана, T – температура, q – заряд электрона). При комнатной температуре jT»0,025 B.

Вместо выражения (4.1) для ВАХ кремниевого и германиевого диодов часто используют более общую формулу:

 

(4.2)

Здесь через g обозначен коэффициент, равный 1 для германия, и от 1 до 2 для кремния.

При достаточно большом отрицательном напряжении (U >3jT) из формул (4.1) и (4.2) следует, что I»–I0, так что тепловой ток для идеальной ВАХ определяет величину обратного тока. Если ток I0 известен при некоторой температуре T0, то при любой другой температуре его величину можно оценить по формуле

 

,

 

где  – параметр, имеющий размерность температуры. В частности, для кремниевых диодов при комнатной температуре

Продифференцировав обе части выражения (4.2) по U, получим:

 

 

Откуда дифференциальное сопротивление перехода выразится как

 

(4.3)

Дифференциальное сопротивление (4.3) – это сопротивление диода переменному току. Его величина изменяется от единиц до нескольких десятков Ом в зависимости от величины тока.

Из (4.3) также следует, что при I®I0 rдиф®¥. Кроме того, при прямом токе I»I0 rдиф линейно возрастает с ростом температуры.


Полупроводниковые выпрямители