Люксметр. Назначение, принцип построения

 

В данной работе вентильный фотоэлемент представляет собой полупроводниковый диод (рисунок 1), чувствительным элементом которого является полупроводник p-типа, на котором специальной обработкой образован тонкий слой полупроводника n-типа, и разделяющий их тончайший запорный слой, называемый p-n – переходом.

Сверху полупроводник покрыт полупрозрачным металлическим слоем или сеткой 1 из серебра, золота или платины, служащей верхним электродом. Нижним электродом является металлическое основание 2.

Под действием светового потока, проникающего через полупрозрачный электрод и тонкий слой n-полупроводника, вследствие фотоэффекта в p-полупроводнике образуется повышенная концентрация электронно-дырочных пар. Электроны увлекаются потенциальным барьером на границе p-n – перехода и беспрепятственно проникают в слой n-полупроводника, заряжая его отрицательно, а дырки, оставшиеся в p-полупроводнике, заряжают его положительно. В результате этого процесса между электродами возникает разность потенциалов, значение которой зависит от интенсивности светового потока и интегральной чувствительности фотоэлемента.

Рисунок 1 –Вентильный фотоэлемент и его эквивалентная схема

 

Если к электродам освещаемого вентильного фотоэлемента подключить сопротивление нагрузки R_н, то под действием возникшей фото-ЭДС в цепи потечёт электрический ток, который, как это следует из эквивалентной схемы фотогенератора (рисунок 1б), будет:

 

, (3)

 

где R_n(Ф) –внутреннее сопротивление фотоэлемента, являющееся функцией светового потока;

R_k –сопротивление контактов;

I_ф= КФ –первичный фототок, возбуждаемый в фотогенераторе (вентильном фотоэлементе).

При малых значениях потока и малых сопротивлениях нагрузки R_k+ R_n<< R_n(Ф) ток в нагрузке будет линейной функцией светового

потока. При больших световых потоках световые характеристики нелинейны даже в режимах короткого замыкания, так как в этом случае R_n(Ф)< R_k.

Следует отметить, что вентильные фотоэлементы обладают большой инерционностью, из-за чего они могут быть использованы лишь при постоянных световых потоках.

В качестве примера в таблице 1 приведены основные технические характеристики вентильного фотоэлемента ФЭСС-2 (сернисто-серебряный).

 

 

Таблица 1 – Основные параметры вентильного фотоэлемента ФЭСС-2

 

Тип фотоэлемента	Интегральная чувствительность, мкА/лм	Внутреннее темновое сопротивление, Ом	Максимальная частота, Гц	Фото-ЭДС, мВ
ФЭСС-2	3500…8000	1500…3000	5…10	60…150

Люксметр Ю-116 позволяет измерять освещённость в диапазоне от 5 до 100 лк. Существует два основных предела измерений: (5 – 30) лк и (17 – 100) лк. Выбор предела осуществляется дискретно.

На рисунке 2 изображена передняя панель люксметра Ю-116.

Фиксацией кнопок 1 или 2 можно выбрать необходимый предел измерений. Расширение предела осуществляется с помощью светофильтров М10, М100, М1000, обозначенных на рисунке (К, М), (К, Р) и (К, Т) соответственно.

Рисунок 2 – Передняя панель люксметра Ю-116

Функциональная схема люксметра Ю-116 представлена на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Функциональная схема люксметра Ю-11

Обозначения на рисунке следующие: 1 – источник света; 2 – светофильтр; 3 – вентильный фотоэлемент; 4 – делитель напряжения; 5 – усилитель; 6 – микроамперметр.

Проходящий через светофильтр 2, световой поток, преобразуется в вентильном фотоэлементе в электрический сигнал, который после преобразования в блоке 4 и усиления в блоке 5 поступает на микроамперметр. Шкала микроамперметра градуирована в единицах освещённости.

 

Опыт 1. Определение зависимости освещённости от расстояния между источником света и освещаемой поверхностью при U=const

Функциональная схема лабораторного макета представлена на рисунке 4 и состоит из ЛАТРа 1, цифрового вольтметра 2, фотоувеличителя 3, фотоэлемента 4, люксметра с набором фильтров 5.

Данный макет даёт возможность получить зависимости освещённости от расстояния между источником света и освещаемой поверхностью, освещённости от питающего напряжения.

 

Порядок выполнения опыта

1. Собрать схему (рисунок 4).

2. Перевести измерительный прибор в режим <<V ~>> и установить

 

предел 1000 В.

3. После проверки собранной схемы преподавателем, включить прибор в сеть.

4. С помощью ЛАТРа установить на измерительном приборе значение напряжения 220 В.

5. Шаг и диапазон перемещения источника света задаёт преподаватель.

6. Изменяя значение высоты h снять зависимость Q= f(h) и результаты занести в таблицу 2.

7. Повторить опыт с использованием фильтров М10 и М100.

8. По результатам измерений построить графики Q= f(h).

Рисунок 4 – Функциональная схема лабораторного макета

 

Таблица 2

 

Режим работы: U = 220 В
h, см					…
Q, лк					...
Режим работы: U = 220 В, фильтр М10
h, см					… …
Q, лк
Режим работы: U = 220 В, фильтр М100
h, см					… …
Q, лк

 

 

Опыт 2. Определение зависимости освещённости от значения питающего напряжения при h= const

Порядок выполнения опыта

1. Установить источник света на высоте (h), указанной преподавателем.

2. Изменяя значение напряжения с помощью ЛАТРа, снять зависимость Q= f(U). Шаг и диапазон изменения напряжения задаётся преподавателем.

3. Результаты измерений занести в таблицу 3.

8. По результатам измерений построить графики Q= f(U).

 

Таблица 3

 

Режим работы: h = … см
U, В					…
Q, лк					...

 

Оформление отчёта

 

В отчёте должны быть приведены соотношения, описывающие заданный режим работы люксметра, принципиальная схема лабораторного макета, таблицы, графики зависимостей Q= f(h), Q= f(U).

 

Контрольные вопросы

1. Люксметр. Назначение. Принцип построения.

2. Вентильный фотоэлемент. Принцип построения.

3. Объяснить полученные графики зависимостей.

 

Литература

1. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. – Киев: Высшая школа, 1981. – С.271 – 273.

2. Широков К.П., Богуславский М.Г. Международная система единиц. – Москва: Издательство стандартов, 1984.

3. Храмов А.В. Первичні вимірювальні перетворювачі приладів і автомотичних систем. – Київ: Вища школа, 1998. – С.153 – 157, 167 – 172, 216 – 220.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Электромагнитные волны. Справочная таблица

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Сравнение величин, характеризующих излучение,

и фотометрических величин. Справочная таблица

Общие величины	Единицы	Фотометрические величины	Единицы
Энергия излучения, W, Qe	Дж	Световая энергия (количество света) W	лм×с
Поток излучения (мощность излучения), Фе	Вт	Световой поток Ф	Лм
Энергетическая экспозиция, Не	Дж/м^2	Световая экспозиция Н	лк×с
Энергетическая освещённость (поверхностная плотность потока излучения), Ее	Вт/м^2	Освещённость Е	лк
Сила излучения (энергетическая сила света), Iс	Вт/ср	Сила света I	кд
Энергетическая яркость, Ве	Вт/(ср× м^2)	Яркость В	кд/м^2

Лабораторная работа № 5