Тема: составление, сборка и анализ схем с фотоэлектрическими преобразователями.

Цель работы: составить, собрать и проанализировать схему с фотоэлектрическими преобразователями.

Общие положения:

Светочувствительные фотоэлементы весьма широко исполь­зуются во всех областях электроники для преобразования света в электрические сигналы. Они находят применение в киноаппа­ратуре, промышленных системах контроля, устройствах защи­ты, в системах регулирования уличного освещения. По краю-кинопленки имеются светлые и темные участки, соответствую­щие звуковому сопровождению фильма. Свет, проходящий через эти участки, изменяет свою интенсивность. Эти изменения вос­принимаются фотоэлементом и.преобразуются в электрические звуковые сигналы, которые затем усиливаются и воспроизво­дятся динамиком. В промышленных установках присутствие, отсутствие или изменение светового потока вызывают замыка­ние или размыкание соответствующих реле, которые приводят в действие сервомеханизмы. В защит­ных устройствах, например в системах охраны или системах защиты машин, прерывание луча света вызывает подачу сигна­ла тревоги или выключает рабочий процесс машины. В домаш­них и уличных системах освещения с наступлением темноты фотоэлемент включает освещение.

Фотоэлементы бывают двух типов: на основе фотоэлектриче­ского и фоторезистивного эффектов. Схема, в которой исполь­зуется фотоэлемент с фотоэлектрическим эффектом, изображена на рис. 1, а. Такой фотоэлемент вырабатывает электрическое напряжение, и до тех пор, пока на него падает свет, в замкну­той цепи протекает ток. В фотоэлементе с фоторезистивным эф­фектом (рис. 1,6) под действием света изменяется сопро­тивление, а следовательно, и проводимость. Таким образом, для работы схем с фоторезистивным элементом требуется внешний источник напряжения.

Фотоэлементы изготовляют разнообразных типов: в виде ва­куумных или газонаполненных ламп, полупроводниковых дио­дов или транзисторов. Полупроводниковые фотоэлементы, в которых в качестве светочувствительного материала использует­ся селен, работают на принципе фотоэлектрического эффекта. Они имеют высокую чувствительность и находят широкое при­менение в тех случаях, когда частота изменения светового пото­ка не превосходит 2000 Гц. Фототранзисторы обладают также высокой -светочувствительностью, но могут работать при значи­тельно более высоких частотах по сравнению с селеновыми фо­тоэлементами. Основным представителем класса фотопроводящих приборов является фотосопротивление. Фотосопротивления изготовляют из сульфида кадмия; они также имеют очень вы­сокую светочувствительность. Однако область применения этих приборов ограничивается низкими частотами, поэтому их при­меняют главным образом в переключающих (релейных) схемах. (Выпускавшиеся ранее фотоэлементы вакуумного типа имели высокую светочувствительность и хорошие частотные характе­ристики, в то время как рабочая частота газонаполненных фо­тоэлементов не превышала 10 кГц.)

Рис.1. Схемы с фотоэлементами (а — г) и условные обозначения послед­них (д — ж).

 

В фотоэлектрических релейных схемах для увеличения то­ка, поступающего в обмотку реле, используются транзисторные усилители. На рис. 1, в показано реле с нормально разомк­нутыми контактами, хотя в случае необходимости могут исполь­зоваться реле и с нормально замкнутыми контактами. Напря­жение, снимаемое с фотоэлемента, в соответствующей поляр­ности прикладывается к транзистору р — n — р-типа и создает на его базе прямое смещение. При увеличении интенсивности света, падающего на фотоэлемент, с последнего будет снимать­ся более высокое напряжение и будет протекать больший ток через транзистор. При достаточной величине тока через тран­зистор реле замыкается, а когда интенсивность света уменьшит­ся ниже заданного уровня, реле размыкается.

На рис. 1,г показана схема, приводящая в действие ре­ле при помощи фоторезистивного элемента. В этой схеме све­точувствительный резистор, или фоторезистор, включен после­довательно с источником прямого смещения в цепь базы тран­зистора. Как показано на рисунке, на эмиттере транзистора создается положительный потенциал от источника, а его отрица­тельный полюс приложен к базе через фоторезистор. При не­большом световом потоке, падающем на фоторезистор, сопро­тивление последнего будет большим, и создаваемое смещение базы транзистора недостаточно для его отпирания. При увели­чении интенсивности светового потока проводимость фотоэле­мента возрастает, увеличивается прямое смещение базы тран­зистора и возникающий ток транзистора включает реле. По мере увеличения проводимости фоторезистора увеличивается ток между базой и эмиттером и транзистор усиливает это измене­ние тока. Бели чувствительность реле низкая (для его переклю­чения требуется большая величина тока), используется допол­нительный каскад усиления.

На рис. 1, д показано условное обозначение светодиода. Такие приборы применяются для индикации включения элект­ронных устройств или определенного режима их работы. Свето-диоды излучают свет, когда между анодом (А) и катодом (К) приложено напряжение ~5 В.

Условное обозначение фотодиода показано на рис. 1, е. Такие приборы вырабатывают напряжение на выходных зажи­мах при воздействии на них световой энергии. На рис. 1, ж показано условное обозначение фототранзистора.

 

Порядок работы:

1. Ознакомиться с руководством по выполнению практической работы,

получить задание у преподавателя.

2. Изучить материалы методических указаний и литературы.

3. Подготовить отчет.

Отчет по работе должен содержать:

1. Тему и цель работы.

2. Выполненное задание

Рекомендуемая литература:

Основная литература:

1. Афонин, А. М. Теоретические основы разработки и моделирования систем автоматизации: Учебное пособие для сред. проф. образования / А.М. Афонин, Ю.Н. Царегородцев, А.М. Петрова и др. - М.: Форум: ИНФРА-М, 2014. - 192 с.

2. Иванов, А.А. Автоматизация технологических процессов и производств: Учебное пособие для высш. учеб. заведений.- 2-e изд., испр. и доп. - М.: Форум: ИНФРА-М, 2015. - 224 с.

Дополнительная литература:

1. Шишмарев В.Ю. Автоматика: Учебник для сред. проф. образования.- М.: Автоматика, 2005.- 288 с.

Практическая работа №13