1

UNIWERSYTET ŚLĄSKI W KATOWICACH

I PRACOWNIA FIZYCZNA

opracował: dr Jerzy Stasz

Ć W I C Z E N I E NR 60

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK

FOTOELEMENTÓW

ZAGADNIENIA DO KOLOKWIUM WSTĘPNEGO

- teoria pasmowa przewodnictwa elektrycznego, pasmo przewodnictwa,

pasmo podstawowe, przerwa energetyczna, poziom Fermiego

- półprzewodniki samoistne i domieszkowe; donory i akceptory

- nośniki prądu, ruchliwość

- efekt fotoelektryczny wewnętrzny, zależność fotoprądu od oświetlenia

- budowa i zasada działania: fotoopornika, fotodiody, fototranzystora i fotoogniwa

- zasada działania: zasilacza prądu stałego, mierników prądu stałego

APARATURA

- zasilacz prądu stałego ( z miernikiem cyfrowym )

- oświetlacz z regulowanym położeniem źródła światła (rura)

- mierniki prądu stałego: woltomierz, miliamperomierz, mikroamperomierz

- zestaw fotoelementów, komplet przewodów

2

WZORY SCHEMATY

Rys. 60.1. Schemat oświetlacza z regulowanym położeniem źródła światła

ż –żarówka 230V

F –badany fotoelement

P –podziałka do odczytu odległości

(żarówka – fotoelement)

r

[cm]

Rys. 60.2. Schemat obwodu do wyznaczania

charakterystyk fotoopornika

mA, V..... –mierniki prądu stałego
Z............. –zasilacz regulowany

3

Rys. 60.3. Schemat obwodu do wyznaczania

charakterystyk fototranzystora

µA, V..... –mierniki prądu stałego
Z............ –zasilacz regulowany

Rys. 60.4. Schemat obwodu do wyznaczania charakterystyki

świetlnej fotoogniwa

4

Rys. 60.5. Charakterystyki prądowo – napięciowe dla:

a) fotoopornika , b) fototranzystora

E – natężenie oświetlenia fotoelementu

Rys. 60.6. Charakterystyki oświetleniowe fotoelementów

(zależność prądu fotoelektrycznego od natężenia oświetlenia

I = f (E)

dla

U = const)

a) fotoopornik
b) fototranzystor
c) fotoogniwo

NATĘŻENIE OŚWIETLENIA FOTOELEMENTU OŚWIETLONEGO PUNKTOWYM ŹRÓDŁEM ŚWIATŁA:

2

1

r

E

f

≈

5

WYKONANIE ĆWICZENIA

1. Fotoopornik

1.1. Umocować fotoopornik (w oprawce) w uchwycie rury.

1.2. Zmontować układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyk fotoopornika (rys.60.2.).

1.3. Włączyć żarówkę oświetlacza do sieci.

1.4. Ustalić odległość r [fotoelement – źródło światła] (rys. 60.1.) np. r = 25cm.

Wyznaczyć zależność I = f (U) dla ustalonego r = const, dla napięć 0 ÷ 10V

1.5. Powtórzyć czynności z pkt. (1.4.) dla innych wartości r

1.6. Ustalić wartość napięcia U = const (np. U = 1,0V ). Zmierzyć zależność fotoprądu I = F(r).

1.7. Powtórzyć pkt (1.6.) dla następnych wartości U = const

UWAGA!

- Nie przekraczać mocy wydzielonej w fotooporniku P

max

= .......(I*U<P

max

).

Przekraczanie P

max

w czasie pomiarów powoduje zniszczenie fotoopornika.

- Ilość pomiarów w pkt. (1.4.÷ 1.7.) ustalić z prowadzącym na podstawie analizy serii pomiarów próbnych.
- Ustalić z prowadzącym możliwość wykorzystania w pomiarach miernika cyfrowego z zasilacza.

2. Fototranzystor

2.1. Umocować fototranzystor (w oprawce) w uchwycie rury.

2.2. Zmontować układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyk fototranzystora (rys.60.3.).

2.3. Włączyć żarówkę oświetlacza do sieci.

2.4. Ustalić odległość r [fotoelement – źródło światła] (rys. 60.1.) np. r = 50cm.

Wyznaczyć zależność I = f (U) dla ustalonego r = const, dla napięć 0 ÷ 10V

2.5. Powtórzyć czynności z pkt. (1.4.) dla innych wartości r

2.6. Ustalić wartość napięcia U = const (np. U = 1,0V ). Zmierzyć zależność fotoprądu I = F(r).

2.7. Powtórzyć pkt (2.6.) dla następnych wartości U = const

UWAGA!

- Zwrócić uwagę na prawidłową polaryzację fototranzystora.
- W czasie pomiarów nie przekraczać wartości: I

max

= 50mA, U

max

= 5V

- Ilość pomiarów w pkt. (2.4.÷ 2.7.) ustalić z prowadzącym na podstawie analizy serii pomiarów próbnych.
- Ustalić z prowadzącym możliwość wykorzystania w pomiarach miernika cyfrowego z zasilacza.

3. Fotoogniwo

3.1. Umocować fotoogniwo (w oprawce) w uchwycie rury.

3.2. Zmontować układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyk fototranzystora (rys.60.4.).

3.3. Włączyć żarówkę oświetlacza do sieci.

3.4. Zmierzyć zależność prądu fotoogniwa od odległości r / I = F(r).

UWAGA!

- Zwrócić uwagę na prawidłową polaryzację fotoogniwa.
- Ilość pomiarów w pkt. (3.4.) ustalić z prowadzącym na podstawie analizy serii pomiarów próbnych.

6

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Fotoopornik

1.1. Oszacować niepewności pomiarowe ∆I i ∆U biorąc pod uwagę klasę miernika i rodzaj użytego

obwodu pomiarowego.

1.2. Wykreślić (rys. 60.5./a) rodzinę charakterystyk prądowo napięciowych I = f (U) dla E = const.

(E = const ↔ r = const) Zaznaczyć na wykresie niepewności pomiarowe ∆I i ∆U.

Określić zakres liniowości.

1.3. Oszacować niepewność pomiarową ∆r. Dla każdej wartości r obliczyć wartość r

-2

(wzór 60.1.)

Oszacować niepewności pomiarowe ∆(r

-2

).

1.4. Wykreślić (rys. 60.6./a) zależność fotoprądu I = f(r

-2

) dla różnych U = const. Zaznaczyć na wykresie

niepewności pomiarowe ∆I, ∆(r

-2

). Określić zakres liniowości.

2. Fototranzystor

2.1. Oszacować niepewności pomiarowe ∆I i ∆U biorąc pod uwagę klasę miernika i rodzaj użytego

obwodu pomiarowego.

2.2. Wykreślić (rys. 60.5./b) rodzinę charakterystyk prądowo napięciowych I = f (U) dla E = const.

(E = const ↔ r = const). Zaznaczyć na wykresie niepewności pomiarowe ∆I i ∆U.

2.3. Dla każdej wartości r obliczyć wartość r

-2

. Oszacować niepewności pomiarowe ∆r i ∆(r

-2

).

2.4. Wykreślić zależność fotoprądu I = f(r

-2

) dla różnych U = const. Zaznaczyć na wykresie niepewności

pomiarowe ∆I, ∆(r

-2

).

3. Fotoogniwo

3.1. Oszacować niepewności pomiarową ∆I

3.2. Obliczyć wartość r

-2

. Oszacować ∆(r

-2

).

3.3. Wykreślić (rys. 60.5./c) zależność I = f(r

-2

). Zaznaczyć na wykresie niepewności pomiarowe

∆I, ∆(r

-2

). Określić zakres liniowości.

LITERATURA

1. H. Szydłowski, „PRACOWNIA FIZYCZNA”, PWN Warszawa 1975r.

2. T. Dryński, „ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z FIZYKI”, PWN Warszawa 1975.

3. Z. Faust, „PRZETWORNIKI FOTOELEKTRYCZNE”, PWN Warszawa 1963