Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

Методика снятия ВАХ фотоэлемента

Для снятия вольт-амперных характеристик ФЭ при различных величинах светового потока на ФЭ подают напряжение постоянного тока и измеряют протекающий через него ток. При приложении положительного напряжения («прямого напряжения») на анод ФЭ снимается прямая ветвь ВАХ, а при подаче отрицательного напряжения («обратного напряжения») снимается обратная ветвь.

На рис. 603.5 представлены ВАХ, снятые при различных

значениях световых потоков. Видно, что при увеличении светового потока ток, проходящий через ФЭ, увеличивается.

Рис. 603.5

В лабораторном стенде измерение ВАХ производится подачей напряжения с потенциометров R1 и R2 на анод ФЭ и измерением тока, протекающего через ФЭ Iфэ. Этот ток создает падение напряжения на одном из резисторов R3, R4 или R5. Это падение напряжения измеряется цифровым вольтметром PV2 и будет прямо пропорционально протекающему току. Пределы измерителя тока задаются переключателем S4.

Ток, протекающий через ФЭ, зависит от величины светового потока, падающего на ФЭ от лампы. В данном стенде величина светового потока задается изменением яркости свечения лампы с помощью переключателей S1 и S2 «СВЕТОВОЙ ПОТОК», изменяющих напряжения питания лампы.

603.7. Порядок выполнения работы по измерению ВАХ

1. Установить потенциометры «УСТАНОВКА НАПРЯЖЕНИЯ на ФЭ» в крайнее левое положение, переключатель напряжения в положение «ПРЯМОЕ 0… 200 V», переключатель диапазонов измерителя тока в положение «200 µА», переключатель светофильтров в положение «БФ». Переключатели светового потока – оба в нижнее положение.

Выключатель «Сеть» установить в выключенное состояние, нажав на нижнюю часть его клавиши.

2. Включить вилку сетевого шнура в розетку сети ~220 V.

3. Включить выключатель сеть, нажав на верхнюю часть его клавиши, при этом включится лампочка подсветки внутри сетевого выключателя, появятся цифры на индикаторах и будет слышен шум вентилятора охлаждения лампы.

4. Включить левым переключателем световой поток Ф1. При этом измеритель тока покажет начальный ток ФЭ (ток при Uфэ = 0).

5. Переключая диапазоны, измерителя тока и устанавливая с помощью потенциометров «ГРУБО» и «ТОЧНО» различные напряжения на ФЭ, произвести измерения прямой ветви ВАХ ФЭ. При этом надо учитывать инерционность измерительных приборов и производить плавную установку напряжения, а при регистрации тока ФЭ также необходимо учитывать время установления соответствующего прибора (как правило, 2…3 с).

6. Данные занести в таблицу. Устанавливать напряжение можно в пределах до 190 В, причём в начале ВАХ (0…10 В) напряжение устанавливают через 1 В, а на участке до 50 В через 5 В, а далее через 10 В. Преподаватель может задать и другие режимы измерений.

7. Для измерения обратной ветви ВАХ ФЭ необходимо установить потенциометрами нулевое напряжение на ФЭ, а затем установить переключатель из положения «ПРЯМОЕ 0…200 V» в положение «ОБРАТНОЕ 0…2 V».

8. Изменяя с помощью потенциометров напряжение на ФЭ, регистрируют обратную ветвь ВАХ ФЭ. При этом надо учитывать, что измеритель напряжения показывает значение напряжения в единицах миливольт (2 В = 2000 мВ), а измеритель тока – в единицах наноампер (2 μА = 2000 нА).

9. Для снятия ВАХ при других величинах светового потока устанавливают соответствующие переключатели в положение Ф2 или Ф3 и повторяют измерения в соответствии с пп.5 - 8.

10. На миллиметровой бумаге построить графики ВАХ ФЭ для различных величин световых потоков.

603.8. Методика определения постоянной Планка

Одной из особенностей ФЭ является наличие тока при нулевом напряжении на ФЭ, обусловленного тем, что часть электронов, выбитая потоком света из катода, достигает анода. Для того чтобы этот ток прекратился, необходимо к ФЭ приложить обратное напряжение – задерживающий потенциал Uз. На рис. 603.6 представлены начальные участки – обратные ветви ВАХ ФЭ, снятые при различных длинах волн падающего света.

Видно, что задерживающий потенциал тем больше, чем меньше длина волны. Кроме того, сравнивая ВАХ, снятые для одной длины волны λ3, но для разных световых потоков Ф1 и Ф2, видим, что величина потока не влияет на величину задерживающего потенциала.

Для измерения задерживающего потенциала и определения постоянной Планка в лабораторном стенде используется освещение ФЭ световым потоком от лампы, прошедшим через светофильтр. Величина обратного напряжения, подаваемого на ФЭ, измеряется при токе, равном нулю. Измерения проводятся при разных светофильтрах. Вычисления постоянной Планка производятся по формулам (603.4) – (603.6).

Рис. 603.6

603.9. Порядок проведения измерений

задерживающего потенциала

1. Подготовить и включить стенд, выполнив пп. 1 - 3 из порядка выполнения работы по измерению ВАХ.

2. Если стенд уже включен, то, установив переключатель

«СВЕТОФИЛЬТР» в одно из положений, переключатель «СВЕТОВОЙ ПОТОК» в положение «Ф3», переключатель установки напряжения на ФЭ в положение «ОБРАТНОЕ 0…2 V», а переключатель «ТОК ФЭ» в положение максимальной чувствительности – «2 μА», необходимо медленно изменять напряжение на ФЭ до тех пор, пока ток, протекающий через ФЭ, не станет равным нулю. Это напряжение и есть величина задерживающего потенциала Uз1, соответствующего длине волны выбранного светофильтра λ1. Повторить измерения 3 - 4 раза и вычислить среднюю величину Uз1.

3. Выбрав новый светофильтр с длиной волны λ2, аналогично определить  величину задерживающего потенциала Uз2.

4. Для увеличения точности рекомендуется выбирать значения длин волн фильтров с максимальной разностью (λ1 - λ2).

5. При измерениях необходимо очень плавно менять напряжение на ФЭ и учитывать время установления цифровых приборов.

6. Пересчитав величины длин волн в соответствующие частоты, по формуле (603.6) определить постоянную Планка.

7. Оценить погрешность определения постоянной Планка.

Внимание! Для питания цифровых приборов стенда используется батарейное электропитание, поэтому для предотвращения разряда батарей необходимо по окончании измерений стенд немедленно отключить от сети!

Контрольные вопросы

1. В чем суть явления внешнего фотоэффекта?

2. Что такое задерживающий потенциал? От чего и как он зависит?

3. От чего зависит энергия фотоэлектронов?

4. Что такое красная граница фотоэффекта?

5. Запишите и объясните формулу Эйнштейна.

6. Какие законы Столетова не подтверждаются волновой теорией?

Основы схемотехники ОУ

Современные операционные усилители имеют не менее трех каскадов

усиления.

Входной дифференциальный каскад

Основой его является усилительная схема на двух транзисторах.

Схема входного дифференциального каскада. Реализация источника тока I0. Ввиду полной идентичности транзисторов ток I0 делится между эмиттерами транзисторов поровну.

Рассмотрим случай при Uвх=0. Т.к. эмиттерные токи VT1 и VT2 равны I0/2, то коллекторные токи также равны I0/2 (пренебрегаем малыми базовыми токами).

Uвых=Uвых1-Uвых2=0.

Под действием положительного входного напряжения VT1-открывается, VT2-закрывается. Uвых= Uвых1-Uвых2¹0 - баланс нарушен.

Недостатки такого дифференциального каскада:

1. Выходное напряжение снимается между коллекторами, т.е. не привяза-

но к общей точке.

2. Низкий коэффициент усиления по напряжению при малом уровне тока I0 и конечных сравнительно низких номиналах Rк1 и Rк2.

Современный входной дифференциальный каскад

Схема показана на рис. VT1 и VT2 с источником тока I0 повторяют первую схему. Добавлены VT3 и VT4, образующие повторитель тока эмиттера транзистора VT1. Ток 2Iб при больших коэффициентах усиления »0. Схема на транзисторах VT3 и VT4 называется “токовое зеркало”.

Отдельно схема токового зеркала изображается, как показано на следующем рисунке. В этой схеме, если транзисторы одинаковы, то потенциалы баз равны и токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 будут тоже абсолютно одинаковы. При заданном токе Iвх, очень малая часть его, величиной 2Iб, ответвляется в базы транзисторов VT1 и VT2. Поэтому ток Iк2 будет примерно равен току Iвх. 

Т.о. токовое зеркало – это повторитель тока. Разбаланс токов определяется только тем, что ток коллектора VT1 меньше Iвх на величину 2Iб. При равных коэффициентах усиления транзисторов можно записать:

Iк2=h21Э*Iб=Iк1; Iк1=Iвх–2Iб.

Из второго уравнения: Iб=(Iвх– Iк1)/2. Подставляем это в первое уравнение

Iк2=h21Э(Iвх– Iк2)/2, откуда

Iк2=Iвх*h21Э/(2+ h21Э)» Iвх.

Для схемы можно записать:

При Uвх=0: IVT1=I0/2, IVT2=I0/2, IVT4=IVT1=I0/2. Т.к. IVT2=IVT4 , то Iн=0.

При Uвх>>0: VT1-открыт, VT2-закрыт, IVT1=IVT3=IVT4=I0, IVT2=0, поэтому Iн=Iн2=-I0.

При Uвх<<0: VT1-закрыт, VT2-открыт, IVT1=IVT3=IVT4=0, IVT2=I0, поэтому Iн=Iн1= I0.

Существуют и другие варианты подобных каскадов. Для получения большого коэффициента усиления операционные усилители обычно делаются трехкаскадными. Следующий второй каскад называется промежуточным каскадом.

Промежуточный каскад

Он может быть выполнен:

а) как первый входной каскад;

б) с общим эмиттером;

в) с общим коллектором.

Выходной каскад

 Чаще всего применяется реверсивный эмиттерный повторитель на транзисторах разного типа проводимости.


На главную