BADANIE CZUJNIKÓW ŚWIATŁA – ĆWICZENIE LABORATORYJNE.

Jakub Pająkowski Politechnika Poznańska

Wydział Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Radiokomunikacji i Optoelektroniki ul. Piotrowo 3A 60-965 Poznań

pajakow@et.put.poznan.pl

BADANIE CZUJNIKÓW ŚWIATŁA –

ĆWICZENIE LABORATORYJNE.

Streszczenie: W artykule opisano urządzenie umożliwiające pomiar charakterystyki czujników światła, oraz metodykę i przebieg ćwiczenia laboratoryjnego „Badanie czujników światła”.

1. WSTĘP

Podczas tworzenia laboratorium „Sensorów i Systemów Pomiarowych” dla studentów kierunku Mechatronika, zaistniała potrzeba stworzenia ćwiczenia, w którym w ciągu 90 minut w przystępny sposób możliwe byłoby zapoznanie się z fotoelementami i ich praktycznym zastosowaniem w układach kontrolno pomiarowych.

2. REGULOWANY ZADAJNIK ŚWIATŁA

Podczas projektowania urządzenia do zadawania światła wzięto pod uwagę następujące czynniki:

a) równomiernie świecące pole powinno mieć wymiary umożliwiające równoległe padanie światła na badany czujnik.

b) urządzenie powinno emitować światło widzialne o stałym widmie,

c) płynną regulację natężenia oświetlenia, d) odczyt aktualnego natężenia w luksach, e) równomierne oświetlenie badanych elementów.

2.1 Równomierne oświetlenie w osi X

Dwie liniowe lampy jarzeniowe o mocy 6W zapewniają równoległość poziomą światła padającego na powierzchnię roboczą.

2.2 Równomierne oświetlenie w osi Y

Równoległość pionowa zapewniona jest przez zastosowanie dwóch powierzchni matowych i świetlnego tunelu odblaskowego. Światło z lamp jarzeniowych pada na pierwszą matówkę, po przejściu przez tunel odblaskowy pada na drugą matówkę, na której światło rozprasza się równomiernie w każdej z osi.

2.3 Stałość widma światła

Zmniejszanie prądu płynącego przez lampy żarowe powoduje zmniejszenie natężenia oświetlenia przy

jednoczesnym przesunięciu widma w kierunku dłuższych fal. Zmniejszenie prądu płynącego przez lampy jarzeniowe powoduje przesunięcia widma w kierunku fal krótszych, przy jednoczesnej szybszej degradacji lampy. Dlatego zdecydowano się na zastosowanie dwóch lamp jarzeniowych przysłanianych mechanicznie przez przesłonę złożoną z 6 żaluzji.

2.4 Płynna regulacja natężenia oświetlenia

Obrót żaluzji zapewniony jest przez silnik z przekładnią zębatą. Klawisze GÓRA i DÓŁ umożliwiają odpowiednio rozjaśnianie i zaciemnianie powierzchni roboczej. Wyłączniki krańcowe zabezpieczają wyjście silnika poza zakres. Umieszczone na panelu diody sygnalizują osiągnięcie końca zakresu. Na rys.1 przedstawiona jest zasada mechanicznego przysłaniania światła. Rysunek zorientowany jest w osi Y i Z.

2.5 Odczyt natężenia oświetlenia

Pole odczytowe znajduje się na panelu i wskazuje wartości od 0 do 1999 luksów. Jako czujnik zastosowano fotodiodę umieszczoną w połowie osi Y (na tym samym poziomie umieszczone są wszystkie elementy badane w adapterach).

Rys.1. Rysunek poglądowy zasady działania zadajnika.

KIERUNEK ROZCHODENIA SIĘ ŚWIATŁA ŻALUZJE LAMPY JARZENIOWE LUSTRO WYŁĄCZNIKI KRAŃCOWE SILNIK Z PRZEKŁADNIĄ ZĘBATĄ MATÓWKA TUNEL ŚWIETLNY ELEMENT BADANY CZUJNIK DO POMIARU NATĘŻENIA OŚWIETLENIA MATÓWKA Y Z

2006

Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006

2.6 Adaptery z fotoelementami

Adaptery są to wymienne obudowy zawierające fotoelementy. Z jednej strony znajdują się gniazda z wyprowadzonymi końcówkami; z drugiej strony w pierwszym adapterze jest fotoogniwo, a w drugim - fotorezystor, fototranzystor i fotodioda. Mocowanie adaptera do zadajnika światła zapewnia szczelne oświetlenie czujników badanych tylko światłem z zadajnika.

Na rys.2 przedstawione jest zdjęcie zadajnika oświetlenia bez przyłączonego adaptera. Widoczna jest równomiernie oświetlona powierzchnia przedniej matówki.

Rys.2. Zdjęcie zadajnika bez adaptera.

Na rys.3 widoczny jest zadajnik ze szczelnie umocowanym adapterem z fotoogniwem.

Rys.3. Zdjęcie zadajnika z adapterem.

Na rys.4 pokazano w dolnej części adaptery z fotoogniwem, fotorezystorem, fototranzystorem i fotodiodą. W górnej części widoczny jest układ montażowy z mostkiem niezrównoważonym komparatorem i wtórnikiem napięcia.

Rys.4. Zdjęcie adapterów i układu montażowego.

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA 3.1 Mierzenie charakterystyki fotodiody.

Charakterystyczną cechą fotodiody jest przepływ zwarciowego prądu wstecznego, który jest proporcjonalny do natężenia oświetlenia.

Zadaniem studentów jest połączenie układu wg schematu na rys.5 i pomiar charakterystyki I = f(E), gdzie E to natężenie oświetlenia, I to zwarciowy prąd wsteczny. Do wyznaczenia prądu należy posłużyć się wzorem: I = F wy R U (1)

Rys.5. Schemat układu do mierzenia charakterystyki fotodiody.

3.2 Mierzenie charakterystyki fototranzystora

Fototranzystor jest tranzystorem, którego złącze kolektor-baza jest wykonane jak fotodioda. Oświetlenie złącza kolektor-baza wywołuje przepływ prądu bazy, a tym samym wzmocnionego prądu kolektora.

Zadanie polega na połączeniu układu wg schematu na rys.6 i pomiarze charakterystyki UCE = f(E) [UCE - napięcie kolektor-emiter], dla trzech wartości rezystora R podanych przez osobę prowadzącą. Porównanie charakterystyk powinno nasunąć wnioski co do doboru rezystora R dla osiągnięcia możliwie dużej czułości układu.

Rys.6. Schemat układu do mierzenia charakterystyki fototranzystora. WO E V Uwy R_F I I Fotodioda R +VCC E Fototranzystor K E V UCE

3.3 Mierzenie charakterystyki fotorezystora

Fotorezystor to bezzłączowy element półprzewo-dnikowy, którego rezystancja zależy od natężenia oświetlenia. Fotorezystor zachowuje się tak jak zwykły rezystor, tzn. wartość jego rezystancji nie zależy od wartości, jak i kierunku doprowadzonego napięcia.

Zadaniem jest połączenie układu wg schematu na rys.7 i pomiar charakterystyki R = f(E); gdzie R to rezystancja fotorezystora.

Rys.7. Schemat układu do mierzenia charakterystyki fotorezystora.

3.4 Mierzenie charakterystyki fotoogniwa

Fotoogniwo jest przyrządem półprzewodnikowym w którym powstaje SEM prądu stałego pod wpływem bezpośredniego działania promieniowania np. słone-cznego.

Zadaniem jest połączenie układu wg schematu na rys.8 i pomiar charakterystyki U = f(E) dla czterech wartości obciążenia, począwszy od stanu jałowego. W podpunkcie pokazana jest praktyczna realizacja układu wymiany energii fotoogniwo / silnik prądu stałego (rys.9).

Rys.8. Schemat układu do mierzenia charakterystyki fotoogniwa.

Rys.9. Zdjęcie układu wymiany energii światła na mechaniczną.

3.5 Zastosowanie fotorezystora do dyskryminacji zadanego poziomu oświetlenia

Prowadzący zadaje poziom progowy i histerezę w luksach, a zadaniem ćwiczących jest przeliczenie - przy znajomości charakterystyki fotorezystora - napięć na wyjściu mostka niezrównoważonego. Następnym etapem jest obliczenie elementów R6 i R7 komparatora z histerezą (pokazanego na rys.10). Do obliczeń należy stosować wzory: UP2 = UP + 7 6 6 R R R + ( Uwymax - UP ) (2) UP1 = UP + 7 6 6 R R R + ( Uwymin - UP ) (3) UH = 7 6 6 R R R + ( Uwymax - Uwymin ) (4)

Rys.10. Schemat układu komparatora z histerezą.

Rys.11. Wykres zależności napięciowych komparatora z histerezą.

Ostatecznym etapem jest połączenie układu z rys.12 (jako R1 zastosować fotorezystor) i sprawdzenie przełączania komparatora dla wcześniej podanych nastaw natężenia oświetlenia

Rys.12. Schemat dyskryminatora oświetlenia.

Fotorezystor

E

E

_R

V

4. UWAGI KOŃCOWE

Zaprojektowany i zbudowany przez autora zadajnik natężenia oświetlenia wraz z dodatkowymi akcesoriami pracuje od chwili stworzenia (2000r) do dziś w Laboratorium Sensorów i Systemów Pomiarowych. Całkowity koszt materiałów użytych do konstrukcji opisanej aparatury nie przekroczył 300PLN.

Studenci III roku kierunku Mechatronika w przystępny sposób poznają charakterystyki i praktyczne zastosowania fotoelementów. Biorąc pod uwagę, że podczas pierwszych czterech semestrów zapoznają się z podstawami elektrotechniki i elektroniki, realizacja zadań postawionych w ćwiczeniu nie napotyka większych problemów.

SPIS LITERATURY

[1] Nawrocki W., Arnold K., Lange K. Układy elektroniczne, skrypt PP, Poznań 1999.

[2] Łapiński M. Pomiary elektryczne i elektroniczne wielkości nieelektrycznych, WNT, Warszawa 1974. [3] Tieze U., Schenk CH., Układy półprzewodnikowe,

WNT, Warszawa 1994.

[4] ICL7107.PDF, Zasoby internetowe firmy INTERSIL