Вивчення датчиків освітленості та фотореле.

Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку та виборі датчиків освітленості.

Прилади та обладнання:

1.Універсальний лабораторний стенд.

2.Люксметр.

3.Фотодатчики.

4.Лампа розжарювання ~220В 75Вт.

5.Вимірювальні прилади постійного струму – мА, мкА, В.

6.З”єднувальні провідники.

 

Основні теоретичні положення:

У сільськогосподарській техніці датчики освітленості використовують в складі пристроїв, що забезпечують сортування продуктів (томатів, яблук, полуниці та ін.) за кольором та визначення якості на просвічування (зерна, яєць), у регуляторах освітленості та інтенсивності опромінення у теплицях, у тваринництві та птахівництві, у пристроях автоматичного вмикання та вимикання вуличного освітлення, у вимірювачах забрудненості повітря та рідин, у газоаналізаторах, у пристроях контролю полум’я у топках, у різноманітних захисних пристроях, в складі датчиків переміщення, тиску, рівня та ін. пристроях.

Чутливими (сприймаючими) елементами датчиків є вакуумні фотоелементи, фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори (рис.1,а).

Фоторезистор - напівпровідниковий прилад, у якому під дією світла зростає кількість вільних електронів, а значить, і електропровідність. Зростання електропровідності напівпровідника під дією світлової енергії називають внутрішнім фотоефектом. Фоторезистор у більшості випадків представляє собою нанесену на скляну пластину 5 тонку шару напівпровідникової речовини 4. До протилежних боків напівпровідникового матеріалу прикріплюють металеві електроди 1, призначені для вмикання фоторезистора у електричне коло. Пластинку з нанесеним на неї напівпровідниковим матеріалом запресовують у пластмасову форму 2 з отвором (робочим вікном) для проходження променей. Робоче віконце покривають світлопроникливим лаком 3.

Фоторезистори характеризуються відносно високою світлочуттєвістю, простотою конструкції, малими габаритами, відносно значною потужністю розсіювання та практично необмеженим терміном служби. Вони можуть працювати у колах постійного та змінного струму. Такі якості обумовили широкі сфери застосування фоторезисторів. До недоліків фоторезисторів слід віднести деяку залежність їх параметрів від температури та нелінійну залежність сили фотоструму від світлового потоку, а також деяку інерційність (постійна часу фоторезисторів у межах при світловому потоці лм).

Вакуумний фотоелемент – вакуумна або наповнена газом лампа з катодом К з світлочуттєвого матеріалу, нанесеного на жорстку основу – “підложку” (внутрішню поверхню скляного балону), та анодом А у вигляді кільця або пластини (рис.1,б).

Вакуумні фотоелементи як правило працюють у режимі насичення, коли фотострум залежить тільки від освітленості та не залежить від прикладеної напруги.

На відміну від фоторезистора електрони, які в результаті дії фотоефекту отримали енергію та стали вільними носіями зарядів (фотоелектрони), не залишаються у освітленому шарі, а віддаляються від нього (зовнішній фотоефект). Для збільшення чутливості колбу вакуумного фотоелемента заповнюють інертним газом. Фотоелектрони, зіштовхуючись із атомами газу, іонізують його та під дією електричного поля підсилюють струм. Такі фотоелементи називають іонні.

Вакуумні фотоелементи інерційні, “старіють” в процесі експлуатації, тобто втрачають стабільність характеристик та параметрів з часом.

Фотодіод – напівпровідниковий приймач променистої енергії, у якому відбувається направлений рух носіїв струму під дією енергії оптичного випромінювання (Рис.1,в). Працюють у двох режимах: фото-перетворювальному - із зовнішнім джерелом живлення та фотогенераторному – без джерела живлення. На p-n-перехід фотодіода подається напруга постійного струму зворотної полярності по відношенню до прямого вмикання. При освітленні відбувається генерація носіїв зарядів, котрі під дією електричного поля на межі p-n-переходу створюють різницю електричних потенціалів. Фотоперетворювальний режим дає значне підвищення світлочутливості, що неможливо у звичайних вентильних фотоелементів.

Фототранзистор – напівпровідниковий приймач променистої енергії, що має направлений рух носіїв зарядів та властивості підсилення фотоструму під дією енергії оптичного випромінювання (Рис.1,г). Конструктивно фототранзистор представляє собою напівпровідникову пластину з трьома областями, що йдуть по черзі: p-n-p – або n-p-n – провідності. Ці області мають контактні виводи для вмикання фототранзистора у схему. Базова область Б доступна для проникнення світла. Під дією світла у базовій області утворюються пари електрон-дірка, які під впливом електричного поля діффундують у емітерну Е та колекторну К області транзистора. В результаті утворюється струм, що протікає через емітерно- базовий перехід та підсилює струм колектора (аналогічно тому, як це відбувається у звичайному напівпровідниковому транзисторі). Фототранзистори порівняно з фотодіодами мають додаткові можливості. Їх роботою можна керувати не тільки за рахунок світлового потоку, але й електричним сигналом одночасно. Крім того чутливість фототранзисторів набагато вища. Вмикання фототранзистора практично не відрізняється від вмикання звичайних транзисторів. Найбільш розповсюдженою є схема із загальним емітером. Іноді фототранзистори вмикають по схемі із вільним емітером або вільною базою (у діодному режимі).

Рис.1. Схеми вмикання:

а) – фоторезистора; б) – вакуумного фотоелемента; в) – фотодіода;

г) – фототранзистора; д) – фототиристора.

 

Фототиристор – чотиришаровий напівпровідниковий прилад з p-n-p-n-переходами, керуємий світлом (рис.1,д).Фототиристори поєднують у собі позитивні властивості тиристора та перетворювача оптичної енергії у електричну. Принцип дії фототиристора подібний до принципу дії фототранзистора. Під дією освітленості у напівпровідниковому шарі відбувається генерація пар електрон-дірка, які під впливом прикладеного електричного поля беруть участь у зростанні струму, що протікає через структуру фототиристора. Дія світла на p-n-p-n-структуру має той самий ефект, що і дія струму керуючого електроду КЕ у тиристорів. Але світлове керування фототиристорами має важливу перевагу порівняно з електричним, так як воно не передбачає гальванічного зв”язку з силровим колом та дозволяє використати керуючий електрод для інших схемних призначень, наприклад, для встановлення необхідних чутливостей або температурної стабілізації. Порівняно з фотодіодами та фототранзисторами фототиристори мають більшу інтегральну чутливість. Крім того вони мають велику навантажувальну здатність за малої потужності керування, високу швидкодію, великий діапазон робочих напруг. Фототиристори використовують у фотореле, у оптоелектронних пристроях, в якості вихідних силових безконтактних елементів. Фототиристори можуть витримувати значні(до десятків А) сили струми при напрузі сотні В.

Фотоварікап – напівпровідниковий прилад, ефективна ємність якого змінюється в залежності від інтенсивності та спектрального складу світлового потоку. В якості фотоварікапів використовують вентильні сірністо-срібні фотоелементи та структурні фотоємкості на основі сірчастого кадмію, сірчастого свинцю, кремнію та германію.

Світлодіоди – випромінюючі світлову енергію напівпровідникові діоди, працюючі на явищі електролюмінісценції при протіканні струму у напівпровідниках з p-n-переходом. Світлодіоди знаходять дуже широкі схери застосування, враховуючи їх переваги: мала потужність споживання, значний термін служби, висока швидкодія, висока чутливість, сумісність з цифровими пристроями та деякі інші.

Властивості фотосприймаючих елементів визначають характеристиками та параметрами, з яких головними для схем автоматизації є світлові та вольт-амперні характеристики (рис.2 та рис.3).

Світловою характеристикою називають залежність фотоструму від світлового потоку Ф (освітленості Е) за незмінної прикладеної напруги.

Вольт-амперною характеристикою називають залежність фотоструму від напруги за незмінної освітленості.

Світлові характеристики фотоелементів за виключенням вакуумних нелінійні, що необхідно враховувати при розрахунку вимірювальних схем з датчиками. Характерною особливістю напівпровідникових фото-елементів є наявність теневого струму Iт, зумовленого кінцевою величиною опору елемента за відсутності освітленості.

Чутливість оптичних датчиків поділяють на інтегральну, питому та спектральну.

Інтегральна чутливість (мкА/лм) чисельно дорівнює силі фотоструму, що протікає крізь датчик під дією одиниці світлового потоку, нерозкладеного у спектр: , де та - фотострум та світловий потік відповідно.

Питома чутливість (мкА/лм·В) є відношенням фотоструму до світлового потоку при напрузі 1В: , де U – напруга, прикладена до фотоелементу. Максимальну чутливість визначають як добуток питомої на максимальну різницю потенціалів.

Залежність чутливості фотоелемента від довжини хвилі світлового потоку називають спектральною характеристикою, а коефіцієнт чутли-вості, знайдений для певної довжини хвилі – спектральна чутливість.

Прикладом використання фотоелектронного приладу у якості датчика освітленості є фотореле типу ФР-2, яке встановлюють на комплектних трансформаторних підстанціях 10/0,4кВ для керування вуличним освітленням. У залежності від величини освітленості фотореле вмикає або вимикає освітлювальні установки. Датчиком у реле є фоторезистор ФСК-Г1, який має теневий опір 3,3 МОм, а при освітленні 200 лк – тільки 3,3 кОм. Фотореле складається з електронного ключа, керуємого фоторезистором та випрямляча напруги живлення. Електронний ключ представляє собою фотореле з підсилювачем струму на транзисторах VT1, VT2. Колекторним навантаженням транзистора VT2 є проміжне електромагнітне реле КV (рис.4). Фоторезистор Фр R1 та R2 утворюють поділювач напруги, з якого на базу транзистора VT1 подається напруга зміщення. За нормальної освітленості, коли опір фоторезистора малий, транзистор VT1 відкритий, а транзистор VT2 закритий. Котушка реле КV при цьому обезструмлена, а контакти реле КV1.1, КV1.2 розімкнені. При зменшенні освітленості опір фоторезистора зростає, від’ємна за знаком напруга на базі транзистора VT1 зменшується, транзистор VT1 закривається, а транзистор VT2 відкривається, реле КV спрацьовує та замикає контакти КV1.1, КV1.2, через які вмикається освітлення.

 

Рис.2. Світлові характеристики: а) фоторезистора; б) вакуумних фотоелементів; в) фотодіода; г) фототранзистора; д) - фототиристора

 

 

Рис.3. Вольт-амперні характеристики: а) фоторезистора; б) фотоелемента; в) фотодіода; г) фототранзистора; д) фототиристора

 

Рис.4. Схема електрична принципова фотореле:

- резистори R1 – ФСД-Г1; R2 – 10 кОм; R3 – 56 кОм; R4 – 30 Ом;

- транзистори VT1, VT2 – МП-25А;

- діоди VD1 – Д816В; VD2, VD3 – Д226В;

- реле KV – МКУ-48;

- конденсатори C1 – 30мкФ 160В; C2 – 4мкФ 600В;

- тумблер SA.

Рис.5. Схема дослідження фотодатчиків

 

 

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з інструкцією до виконання роботи, теоретичними матеріалами по вивченню фотодатчиків, підготувати звіт до фіксації результатів досліджень.

2. Підготувати робоче місце до виконання роботи, зібрати схему досліджень (рис.5).

3. Отримавши дозвіл керівника робіт, включити живлення схеми досліджень.

4.Зняти вольт-амперну характеристику (ВАХ) вакуумного фотоелементу Iф=f(Uф) при Е=const. Освітленість змінюється шляхом зміни величини напруги живлення, яка подається на лампу розжарювання через ЛАТР, а величина освітленості вимірюється люксметром. Напруга живлення на фотоелементі змінюється за допомогою потенціометра RP1. Результати досліджень занести в таблицю.

5. Зняти світлову характеристику фотоелементу Iф=f(E) при U=const. Дані занести в таблицю.

6.Визначити опір фотоелементу в залежності від світлового фото потоку Rф=f (E) при U=const.

7. Аналогічно зняти характеристики фоторезистора. Дані досліджень занести в таблицю.

8. Закінчивши виконання роботи,вимкнути живлення стенду, повернути всі органи керування обладнання у вихідне положення.

Таблиця

Результати дослідження фотодатчиків - вакуумного фотоелемента та напівпровідникового фоторезистора

Вольт-амперна характеристика	Світлова характеристика
U,В	Е1, 250 лк	Е2, 250 лк	Е,лк	U1=5В	U2=10В
І1, mkA	І2, mkA	І1, mkA	R1, kОm	І2, mkA	R2, kОm
Вакуумний фотоелемент
					-		-
Вольт-амперна характеристика	Світлова характеристика
U*,В	Е*1, 1250 лк	Е*2, 2500 лк	Е*, лк	U*1=15В	U*2=30В
І*1, mA	І*2, mA	І*1, mA	R*1, kОm	І*2, mA	R*2, kОm
Напівпровідниковий фоторезистор
					-		-

Контрольні питання:

1.Поясніть принцип дії фотодатчиків.

2.Вкажіть переваги та недоліки фоторезисторів порівняно з вакуумними фотоелементами.

3.Як визначити чуттєвість фотодатчика? Наведіть приклад.

4.Яке використання фотодатчиків у схемах автоматики та автоматизації? Наведіть приклади.

5.Як зрозуміти "теневий" чи "світловий" струм фотодатчика?

6.З якою метою та яким газом наповнюють фотоелементи?

7.Поясніть принцип роботи фотодіода у фотоперетворювальному та фотогенераторному режимах.

8.З чим пов’язані переваги та недоліки фототиристора порівняно з фототріодом (фототранзистором)?

9.Поясніть світлові та вольтамперні характеристики фотодатчиків.

10.Поясніть принцип роботи фотореле (рисунок 5).

11.Поясніть будову,принцип дії,використання оптронів.

12.Як змінюється опір досліджуємих датчиків від зміни світлового фотопотоку?

Література: [ 2 ], c 95…132, [ 3 ], c 63…78.

Завдання на самостійну роботу: зробити необхідні розрахунку,оформити звіт,вивчити теорію з літературних джерел.

 

Лабораторна робота № 7

Вивчення апаратури керування та захисту електрообладнання

 

Мета роботи: отримати навички в дослідженні, розрахунку, виборі та застосуванні апаратури керування та захисту електрообладнання.

Прилади та обладнання:

1. Апаратура керування та захисту електрообладнання (рубильники, проміжні реле, запобіжники, перемикачі, автоматичні вимикачі, теплові реле, реле часу, шляхові вимикачі, електромагнітні пускачі, кнопки керування, спеціальні захисні пристрої.

2. Прилад комбінований Ц 4352.

3. Універсальний лабораторний стенд.

4. Трифазний асинхронний електродвигун з КЗ ротором 1,5 кВт 1500 об/хв.

5. Лампи розжарювання.

6. Зۥєднувальні провідники.

 

Основні теоретичні положення: