Ćwiczenie nr 7

Wzmacniacz. Fotoogniwo.

Wstęp:

Celem ćwiczenia jest obserwacja wzmacniania prądu zmiennego we wzmacniaczu oraz zapoznanie się z działaniem fotoogniwa.

Opis teoretyczny:

Każde urządzenie do rejestrowania sygnałów biologicznych zawiera m.in. zasilacz i wzmacniacz. Wzmacniacz elektryczny to układ, w którym doprowadzenie do zacisków wejściowych napięcia U₁ powoduje wystąpienie na zaciskach wyjściowych napięcia U₂=k_uU₁, przy czym moc uzyskana w obwodzie wyjściowym jest większa niż moc doprowadzona do obwodu wejściowego.

Głównym elementem wzmacniacza są lampy elektronowe lub lampy półprzewodnikowe. Inaczej mówiąc, tranzystory. Mówi się wówczas odpowiednio o wzmacniaczach lampowych lub półprzewodnikowych. Inaczej tranzystorowych.

Przykładem tranzystora może być trioda tranzystorowa, która jest układem 3 półprzewodników tworzących dwa złącza n-p. Jedno ze złącz stawia mały opór prądowi elektrycznemu a drugie duży. Półprzewodnik środkowy nazywamy w tym układzie bazą B, a zewnętrzne półprzewodniki emiterem E i kolektorem K. Napięcie przykładane między emiter i bazę jest około 100 razy mniejsze niż napięcie między kolektorem a bazą. Zatem tranzystory wzmacniają napięcie prądu przy niewielkich jego stratach.

Do elementów półprzewodnikowych należy także fotoogniwo. Jest to urządzenie, które wykorzystuje zjawisko fotowoltaiczne do zamiany światła na prąd elektryczny. Zasada działania fotoogniwa opiera się na złączach n-p. W złączach tych pod wpływem fotonów o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury do obszaru p, co wywołuje różnicę potencjałów a więc napięcie elektryczne. Powstaje zatem siła elektromotoryczna.

Zewnętrzny efekt fotoelektryczny jest zjawiskiem polegającym na tym, że płytka metalu naświetlona falami o dostatecznie dużej częstości emituje na zewnątrz swobodne elektrony zwane fotoelektronami. Stwierdzono, że liczba fotoelektronów wybiegających z metalu jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego światła oraz że prędkości wyjściowe elektronów nie zależą od padającego światła. Światło padające na płytkę wybija elektrony e o energii kinetycznej $\frac{\text{mv}^{2}}{2}$. Zależność liniowa wygląda następująco:

$$\frac{\text{mv}^{2}}{2} = \text{hν} - W_{w}$$

Gdzie:

mv²/2 – energia wybitego fotoelektronu o masie m i prędkości v

h – stały współczynnik proporcjonalności

ν – częstość padającego światła

W_w – praca wyjścia równa energii, którą światło padające oddaje elektronowi