Лабораторная работа

Исследование датчиков параметрического типа. Фоторезисторы

Цель работы: Исследование и снятие характеристик фоторезистора.

Краткие теоретические сведения

Для непрерывного контроля над режимом работы различных машин и агрегатов, протеканием технологических процессов необходимо иметь устройства, измеряющие значения величин, характеризующих эти процессы. В автоматике эти устройства называются датчиками.

В системах автоматики датчик предназначен для преобразования контролируемой величины в выходной сигнал более удобный для передачи информации на расстояние. В данной работе датчиком является фоторезистор.

Фоторезистор состоит из светочувствительного слоя полупроводника - слой селена или сернистых соединений металлов (таллия, висмута, кадмия, свинца) толщиной около микрометра, нанесенного на стеклянную или кварцевую пластинку. К пластинке прикрепляют электроды, контактирующие с полупроводниковым слоем. Токосъемные электроды выполнены с применением драгоценных металлов. Для защиты от внешних воздействий светочувствительный элемент покрывают слоем лака или помещают в пластмассовый корпус или металлический с окном для светового потока.

При внутреннем фотоэффекте под действием светового потока в полупроводнике появляются дополнительные свободные электроны, благодаря чему увеличивается электропроводность, а сопротивление фоторезистора уменьшается.

При подведении к электродам напряжения через полупроводник начнет протекать ток, сила которого зависит от степени освещенности светочувствительной поверхности фоторезистора. Чем больше световой поток Ф (люкс), падающий на поверхность фоторезистора при постоянном напряжения питания U (В), тем больше сила тока I (мА). Нелинейность характеристики объясняется тем, что, начиная с определенного предела, число свободных электронов с ростом освещенности не увеличивается.

Промышленностью выпускаются фоторезисторы типов СФ, ФР, ФС различных модификаций. В них используются полупроводниковые материалы: сернистый кадмий, сернистый свинец, германий, индий и др.

На рисунке 1, б, в, г показан внешний вид некоторых фоторезисторов, а на рисунке 1, д  спектральные характеристики фоторезисторов из некоторых полупроводниковых материалов. По вертикальной оси отложена чувствительность в относительных единицах, а по горизонтальной длина волны монохроматического (т. е. определенного цвета) светового потока. Вид кривой (острый пик или пологая вершина) зависит и от технологии изготовления полупроводникового материала.

Рисунок 1. Конструкции фотоэлементов (а, б, в, г) и спектральные характеристики (д)

Надо отметить, что чувствительность схем с фоторезисторами во много раз больше, чем схем с фотоэлементами. Например, фоторезистор типа СФЗ2А имеет в освещенном состоянии ток в 3мА. При отсутствии света и напряжении на фоторезисторе в 10 В через него протекает ток в 2 мкА. Таким образом, кратность изменения сопротивления может достигать 3·10^-3/(2·10^-6).

Фоторезисторы не реагирует на полярность включения и могут работать в цепи переменного тока. К достоинствам фоторезисторов также относятся: хорошая работа в инфракрасной части спектра, высокая чувствительность, малая масса и габариты, простота конструкции и использования, невысокая инерционность.

К недостаткам фоторезисторов следует отнести их инерционность. Она заключается в том, что при освещении фоторезистора фототок не сразу достигает своего конечного значения, а при прекращении освещения ток снижается до первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Постоянная времени фоторезисторов составляет десятые и сотые доли секунды. Еще один недостаток фоторезисторов - зависимость сопротивления от температуры.

Фоторезисторы применяются для контроля, сигнализации, измерения, регистрации светового потока, также фоторезисторы используют в системах оптической связи и для обнаружения инфракрасного излучения, могут применяться в сталеплавильных цехах, для определения температуры по степени светоизлучения расплавленного метала.

Для автоматического измерения фоторезисторы используют чаще всего в мостовой схеме. Для исключения погрешности из-за потока излучения фона в два плеча моста включают одинаковые фоторезисторы, один из которых воспринимает только излучение фона, а другой освещается одновременно измеряемым объектом и фоном.

Оборудование: лабораторный стенд, соединительные провода.

Рисунок 2. Схема исследования фоторезистора

Порядок выполнения работы:

1.      Ознакомится с электрической схемой опыта по рисунку 2.

2.      Подключить к гнезду ”X1” лампы”HL1” источник питания “+12В”, а к гнезду “X2” лампы нулевой провод источника питания.

3.      Произвести соединение выхода источника питания “+5В” с гнездом “100” микроамперметра РА2.

4.      Второй выход микроамперметра “*” подключить к гнезду “X1” фотосопротивления R_ф.

5.      Гнездо фотосопротивления R_ф “X2” подсоединить к нулевому проводу стенда.

6.      Поставить регулятор R43 освещенности “Ф, лм “ в крайнее левое положение.

7.      Включить лабораторный стенд.

8.      Плавно вращая регулятор R43, снять показания прибора PA2 при разных положениях регулятора светового потока.

9.      Результаты измерений занести в таблицу 1.

10.   Рассчитать сопротивление фоторезистора при различных значениях светового потока.

11.   По результатам исследований построить график R_ф=f(Ф).

Таблица 1 Результаты измерений и вычислений

Контрольные вопросы

1.     Как классифицируются датчики по принципу действия, привести примеры.

2.     Назовите основные характеристики датчиков.

3.     Опишите конструкцию фоторезистора.

4.     Приведите примеры применения фоторезисторов.

5.     Перечислите достоинства и недостатки фоторезисторов.

6.     Что происходит с фоторезистором, если на него воздействует световой поток?

7.     Из каково материала изготавливают светочувствительный слой фоторезистора?

Скачано с www.znanio.ru