Исследование характеристик вентильного фотоэлемента

Целью работы является приобретение навыков работы с люксметром Ю116, изучение принципов построения вентильного фотоэлемента и люксметра.

Диапазон электромагнитных волн охватывает около 50 октав (октаве соответствует интервал частот (или длин волн), у которого отношение граничных частот равно 1: 2), из которых на видимый свет приходится только одна октава. Этот диапазон волн от 390 до 770 нм и называют светом в узком смысле слова (см. Приложение А).

Следует различать общие величины, характеризующие любое электромагнитное излучение, и специфические фотометрические величины. В то время, как первые из них объективно характеризуют общие электрические свойства излучения, вторые выражают субъективное восприятие света человеком (Приложение Б).

Освещённостью Е называется отношение светового потока к площади освещаемой поверхности.

 

, (1)

 

где Е – освещённость, лк;

I – сила света, кд;

r – расстояние между источником света и освещаемой поверхностью, м;

a ‑ угол между направлением распространения света и нормалью к поверхности.

Для измерения освещённости используется люксметр. Люксметр представляет собой микроамперметр, подключённый к фотоэлементу. Для согласования спектральной чувствительности фотоэлемента с кривой

видимости глаза используется фильтр.

Фотоэлектрическими датчиками называются устройства, изменяющие свои параметры при воздействии на них световой энергии. Достоинствами фотоэлектрических датчиков являются их простота, малые габариты, высокая чувствительность и отсутствие механической связи с преобразуемым процессом. Основные характеристики фотоэлектрических датчиков:

1. Световая характеристика – зависимость фототока от интенсивности падающего на фотоэлемент светового потока.

2. Спектральная характеристика – зависимость фототока от длины волны падающих лучей при постоянной освещенности.

3. Инерционная (частотная) характеристика – зависимость фототока от частоты изменения интенсивности падающего светового потока.

4. Вольтамперная характеристика – зависимость фототока от прикладываемого между электродами фотоэлемента напряжения при постоянном световом потоке.

Кроме указанных характеристик, фотоэлементы оцениваются по стабильности их параметров с течением времени (старение) и при изменении температуры рабочей среды.

Фотоэлементы находят широкое применение в качестве датчиков различных измерительных и регулирующих устройств для измерения и регулирования температуры, уровней, перемещений и скорости, для сортировки и отбраковки деталей и т.п.

Чувствительность фотоэлемента определяют как отношение приращения фототока к приращению светового потока:

 

. (2)

 

Она зависит от типа фотоэлемента и величины нагрузочного сопротивления. Для повышения чувствительности фотоэлементы могут быть включены электрически последовательно друг с другом.

Вентильные фотоэлементы могут работать в двух режимах: фотогенераторном (вентильном) и фотодиодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к фотодиоду приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой ток, а при освещении p-n – перехода ток увеличивается в зависимости от интенсивности облучения. Вентильные фотоэлементы используются, в основном, в диодном режиме, т.е. с внешним источником напряжения, подключённым к фотоэлементу в обратном направлении. При таком включении потенциальный барьер возрастает и определяется внешним напряжением. Условие проникновения неосновных носителей через p-n – переход существенно облегчается, а обратное сопротивление этого перехода резко возрастает. В результате возрастает чувствительность, а световые характеристики становятся линейными в широком диапазоне световых потоков. Наибольшее распространение получили кремниевые и германиевые фотодиоды.