WinWord 1Mb - Гимназия 1567

Состав установки.
Работа с установкой. Результаты работы.
Установка для исследования распределения энергии
в спектре лампы накаливания
Самойлов Юрий
Принцип работы.
Испускаемый обычной лампой накаливания свет кажется белым (часто светло
желтым), но на самом деле он состоит из световых волн разной длины волны, причем
интенсивность неравномерно распределена по спектру. Из видимой части наибольшая
энергия приходится на красный свет, а на оставшиеся – тем меньше, чем больше частота,
что в результате дает желтоватый оттенок. Но максимальная интенсивность – у
инфракрасного света, не воспринимаемого глазом.
Для исследования распределения энергии удобно использовать явление внешнего
фотоэффекта: поглощая фотоны света, электроны в поверхностном слое атомов металла
приобретают избыточную энергию, могут выйти из него и стать свободными носителями
зарядов. На этом основано устройство фотоэлементов.
Фотоэлемент представляет собой стеклянный
баллон, внутри которого вакуум. Катодом
служит внутренняя поверхность баллона (или
помещенная внутрь пластина), покрытая тонким
слоем металла. У чистых металлов работа
выхода электронов довольно велика и поэтому
чистые металлы практически не используются.
Катоды делают композитными – состоящими из
набора нескольких элементов. Срывающиеся с
катода электроны увлекаются полем и попадают
на анод – металлическую проволоку в центре
Рис. 1. Вакуумный фотоэлемент;
баллона, создавая ток через фотоэлемент.
(1) – светочувствительный слой
Количество выходящих из металла электронов
(катод),
зависит от светового потока. Так как световой
(2) – анод в виде кольца
поток неравномерно распределен по частоте то
фототок оказывается так же зависящим от частоты света.
Направляя на фотоэлемент свет разных длин волн, можно получать в цепи
изменяющееся напряжение; обрабатывать его можно, например, с помощью ЭВМ.
Работа установки
Для создания светового потока используется лампа накаливания. Свет от нее
фокусируется с помощью линзы на щель спектроскопа.
Спектроскоп состоит из коллиматора и призмы и зрительной трубы. Наблюдают
картину разложения света в спектр с помощью глаза. В нашей установке вместо глаза
используется фотоэлемент. Он размещается внутри металлического корпуса, играющего
роль экрана как от постороннего света, так и от электромагнитных помех. В корпусе
имеется узкая щель через которую малая часть области спектра света попадает на
фотоэлемент. Корпус со щелью и фотоэлементом могут перемещаться относительно
спектра благодаря шаговому электродвигателю, управляемому компьютером через
коммутатор.
Сигнал с фотоэлемента через предварительный и дифференциальный усилители
подаётся на аналогово-цифровой преобразователь и обрабатывается компьютером.
Фотоэлемент, усилители, коммутатор и АЦП питаются от многовыходного блока
питания; лампа питается от собственного регулируемого источника тока. Оба рассчитаны
на переменный ток напряжением 220 В.
Состав установки.
Работа с установкой. Результаты работы.
Разложенный в спектр свет можно ограничивать по длине волны с помощью
светофильтров.
Блок-схема установки приведена на рис. 4.
Рис. 4. Блок-схема установки.
Внешний вид установки приведен на рис. 2. Элементы оптической скамьи закрыты
светонепроницаемым кожухом.
Состав установки.
I. Оптическая скамья (рис. 3). На ней
располагаются:
- (1) лампа накаливания,
- (2) линза,
- (3) спектроскоп,
- (4) держатель для светофильтра,
- (5) механизм перемещения по спектру,
- (6) фотоэлемент с предварительным
усилителем в корпусе
II. Блок АЦП питания и плата с коммутатором и
дифференциальным усилителем в корпусе
III. Регулируемый источник тока для лампы
Рис. 2. Общий вид установки
Установка подключается через LPT-порт к компьютеру, I и II соединяются с
помощью VGA-разъёма.
1
2
Рис. 3. Оптическая скамья с установленными элементами
Питание лампы
Исследуемая лампа рассчитана на постоянный ток напряжением 6 В. Чтобы
избежать насыщения АЦП. желательна возможность изменения яркости ее свечения.
Поэтому удобно использовать регулируемый источник питания; в данной установке его
роль играет выпрямитель В - 24. При включении желательно убедиться, что регулятор
напряжения находился на 0, иначе при подаче мощного тока лампа может перегореть
Состав установки.
Работа с установкой. Результаты работы.
Фотоэлемент
В данной установке используется фотоэлемент Ф - 9. Напряжение питания – 100 В.
Фотокатод сурьмяно-калиево-цезиевый. Диаметр рабочей поверхности – 39 мм.
Чувствительность фотоэлемента 100 мкА/лм, спектральная чувствительность для света с
длиной волны 750 нм - 5 мкА/мВт. Схематическое устройство фотоэлемента и его
размеры приведены на рис. 4. На рис. 5 приведена его фотография.
Необходимо отметить, что чувствительность фотоэлемента зависит от длины
волны (рис.6), поэтому результирующий график на мониторе компьютера не является
полностью достоверным. (Можно программно компенсировать нелинейность
чувствительности, но в этой работе этого не сделано из-за недостатка времени.)
Рис. 4. Схематичное устройство фотоэлемента и его
линейные размеры (в мм)
Рис. 5. Внешний вид фотоэлемента
Рис. 6. Спектральная
характеристика катода
АЦП
На плате расположены:
- собственно АЦП,
- коммутатор к двигателю,
- дифференциальный усилитель
Сигнал с фотоэлемента поступает в аналоговом виде: плавно изменяющегося
напряжения; компьютер же воспринимает только цифровой сигнал – напряжение на входе
от 0 до 2,4 В (логический ноль) или от 2,5 до 5 В (логическая единица). Этим
преобразованием занимается аналого-цифрововой преобразователь – АЦП.
АЦП состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и компаратора
напряжения. ЦАП преобразует код, посылаемый из ЭВМ в аналоговый сигнал и передает
на первый вход компаратора. На его второй вход подается исследуемое напряжение.
Компаратор «сравнивает» напряжения на его входах и в зависимости от результата
посылает ЭВМ либо логический 0, либо 1.
Состав установки.
Работа с установкой. Результаты работы.
Таким
образом,
подавая
нарастающий сигнал от ЦАП и
проверяя, когда он сработает, можно
определить напряжение на втором
входе компаратора. Блок-схема АЦП
приведена на рис. 7.
ЦАП.
Рис. 7. Блок-схема АЦП
Наиболее простой вариант построения ЦАП основан на суммировании токов на
резисторе. Код с компьютера передается по параллельному каналу (порт LPT). На каждый
выход подается либо ~ 0 В, либо ~ 5 В, в зависимости от логического 0 или 1 на
соответствующем разряде двоичной записи кода.
Код представляет собой число от 0 до 25510 = 111111112. Например для кода 7510 =
64+8+2+1 = 26+23+21+20 = 010010112 на входы ЦАП с номерами 6, 3, 1 и 0 будет подано
~ 5 В, на остальные ~ 0 В.)
Ток через нагрузку будет
равен сумме токов каждого из
включенных разрядов, но с разными
коэффициентами
для
каждого,
причем для 6 - го входа
коэффициент вдвое меньше, чем для
7 - го, для 5 - го вдвое меньше, чем
для 6 - го и т.д. Необходимые
коэффициенты получаются при
использовании
цепочечного
делителя типа r - 2r
Схема такого ЦАП приведена Рис. 8. Схема ЦАП с цепочечным делителем типа r2r (электронные ключи – выходы ЭВМ)
на рис. 8.
В результате на нагрузке получается напряжение, численное значение которого
пропорционально изначальному коду, то есть при подаче кода 110 напряжение на выходе
ЦАП будет в 255 раз меньше, чем при подаче 25510. Чему конкретно равно это
напряжение, зависит от сопротивления нагрузки.
Компаратор имеет два устойчивых состояния, соответствующих логическим 0 и
1 (т.е. на выходе компаратора может быть либо ~ 0 В, либо ~ 5 В). Исследуемое
напряжение положительной полярности подается на первый вход компаратора, что
переводит его в состояние логической 1. В нем он будет находиться до тех пор, пока
напряжение на его втором входе не сравняется с поданным на первый. Если на второй
вход подавать плавно нарастающее напряжение, то в тот момент, когда оно превысит
исследуемое напряжение, компаратор сработает и перейдет в состояние логического 0 и
будет в нем находиться, пока напряжение на втором входе не станем ниже исследуемого.
Т.е. в момент переключения компаратора напряжения на его входах равны.
Компаратор выполнен на транзисторе VT1 КТ603 (рис. 9), открывающемся при
превышении напряжения на базе напряжения на эмиттере. Это произойдет тогда, когда
входной сигнал станет больше падения напряжения на переходе база-эмиттер (оно
составляет 0,6-0,7 В), при этом коллекторный ток заметно возрастет. На транзисторах VT2
и VT3 собран усилитель постоянного тока. При этом на его выходе (резистор R13)
изменится напряжение с ~5 В до ~0 В.
Состав установки.
Работа с установкой. Результаты работы.
Рис. 9. Принципиальная схема восьмиразрядного АЦП
В данной установке используется восьмиразрядный АЦП (то есть посылаемый
компьютером код – от 0 до 255, как описано выше). Он не обладает большой точностью,
но прост в монтаже и обработке, к тому же задействуется только регистр данных
LPT-порта, а регистр управления высвобождается для контроля двигателя. Питание АЦП
+5В - контакт 21; общий провод - 22, входы ЦАП – контакты 12 – 19, первый вход
компаратора – 1, выход – 20.
Фиктивная земля.
Из за падения напряжения на переходе база-эмиттер транзистора, компаратор
начинает работать при входных напряжениях заметно отличающихся от 0. То есть АЦП
начнет измерения только при входном напряжении, большем 0,6-0,7 В. Для того, чтобы
можно было производить измерения, начиная с 0 В, напряжение подается не относительно
общего провода, а относительно контакта 5 «фиктивная земля», на котором делителем
напряжения R5 - R6 создается смещение напряжения, равное падению напряжения на
переходе база-эмиттер транзистора. (В данной установке смещение устанавливается в
дифференциальном усилителе).
Электродвигатель и коммутатор
В механизме перемещения фотоэлемента по спектру
использована часть старого дисковода с шаговым
двигателем и кареткой. Особенность шагового двигателя
заключается в том, что при подаче напряжения на его
обмотки его ротор не постоянно вращается, а
поворачивается на известный угол (шаг). Переключая
(коммутируя) обмотки соответствующим образом можно
привести ротор во вращение. В данном случае
используется двигатель который делает 1 оборот за 40
шагов.
Корпус, содержащий фотоэлемент, крепится к
Рис. 10. Микросхема
каретке и может перемещаться относительно спектра
коммутатора
благодаря шаговому электродвигателю. Его подвижная
часть может занимать 81 позицию с равными расстояниями между ними. Положение
Состав установки.
Работа с установкой. Результаты работы.
корпуса подобрано таким образом, что первая позиция соответствует некоторой длине
волны из инфракрасной области, а последняя – фиолетовому свету.
Управление и питание осуществляется через коммутатор, выполненный на
микросхеме КР1128КТ4 (рис. 10). На входы A – D (контакты 2, 10, 7, 15) подаётся сигнал
с регистра управления LPT-порта компьютера; с выходов 1 - 4 (3, 6, 11, 14) передаётся
напряжение на обмотки двигателя. На контакт 8 подается напряжение +5 В, на контакт 16
+10 В для работы шагового двигателя, контакты 4, 5, 12, 13 припаяны к общему проводу.
Усилители
Перед обработкой АЦП сигнал с фотоэлемента усиливается предварительным и
дифференциальным усилителями (последний также играет роль фиктивной земли для
АЦП). Схема усилителей приведена на рис. 11.
Рис. 11. Усилители: внутри пунктирной рамки – предварительный
(с фотоэлементом), вне – дифференциальный
Предварительный усилитель выполнен
на транзисторе VT1 типа КТ361 и
подключается к -5 В от блока питания. Чтобы
даже небольшие колебания напряжения
питания или температуры не влияли на
выходной
сигнал
дифференциального
усилителя
(дифференциальный
вход
достаточно
чувствительный)
рядом
с
транзистором усилителя размещен еще один
Рис. 12. Предварительный усилитель
такой же транзистор с которого и снимается
сигнал для второго входа. Теперь колебания напряжения и температуры одинаковым
образом сказываются на выходных сигналах делая эти колебания синфазными. А
синфазные колебания дифференциальный усилитель на усиливает.
Плата вместе с фотоэлементом находится внутри металлической коробки, которая
заземляется. Два сигнальных провода выходят к дифференциальному усилителю. На рис.
12 приведена фотография предварительного усилителя.
Дифференциальный усилитель расположен на той же плате, что АЦП и
коммутатор. На него подается двухполярное питание +5 В и -5 В от блока питания, а
сигнал поступает от предварительного усилителя на входы 1 (контакт 2) и 2 (контакт 3).
Положение движка потенциометра выбрано таким образом, что в отсутствии сигнала с
фотоэлемента на выходе дифференциального усилителя устанавливается 0,6 - 0,7 В –
имитируется фиктивная земля АЦП.
Состав установки.
Работа с установкой. Результаты работы.
На рис. 13 приведена фотография
платы, на которой размещается АЦП,
дифференциальный усилитель и коммутатор.
Блок питания
Установка
питается
от
многовыходного
блока
питания,
подключаемого к сети через выключатель.
Индикаторный диод и предохранитель,
находятся в общем корпусе. Сетевое
напряжение понижается трансформатором,
ток
выпрямляется
и
на
выходах
устанавливается +5, -5, +12, -12, +10 и -100 В Рис. 13. Плата АЦП с коммутатором к
соответственно. Выпрямитель на 100 В для двигателю и дифференциальным усилителем
2
1
Рис. 14. Принципиальная схема блока питания
Рис. 15. Внешний вид блока
питания
питания фотоприемника собран по схеме умножения напряжения на 4. Остальные
выпрямители однополупериодные.
На рис. 14 приведена принципиальная схема блока питания, на рис. 15 его
фотография.
Работа с установкой.
1. Подключить провода от лампы к источнику тока
2. На источнике установить регулятор напряжения на ноль. Подключить источник к
сети, включить его. Установить напряжение на лампе около 5 В
3. Подключить VGA-разъем от оптической скамьи к разъему на общем корпусе
4. Подключить LPT-разъем от общего корпуса к компьютеру
5. Подключить вилку от общего корпуса к сети
6. Включить компьютер
7. Включить блок питания выключателем на общем корпусе
Состав установки.
Работа с установкой. Результаты работы.
8. Запустить файл LIGHT.BAS из QBasic'а.
9. Для начала измерений нажмите пробел. В процессе можно нажать ESC для остановки.
10. Можно регулировать яркость свечения лампы (и высоту графика) на источнике тока
лампы.
11. Для выхода дважды нажмите ESC
12. Выйдите из редактора, выключите компьютер
13. Выключите блок питания и источник тока
14. Отключите установку от сети и её части друг от друга
Весь комплекс работает следующим образом.
После запуска программы шаговый двигатель перемещает каретку с
фотоприемником в крайнее положение (исходное состояние). По команде «пуск»
(«пробел») производится измерение напряжения. В двумерный массив заносится номер
шага (положение в спектре) и напряжение (относительное значение энергии в данной
точке спектра). Результат выводится на экран. Затем дается команда на перемещение
каретки на один шаг. Спустя небольшую паузу (время релаксации) производится
измерение следующего значения напряжения и т.д. до тех пор, пока каретка не дойдет до
другого крайнего положения. Каретка автоматически переводится в исходное состояние.
При новом старте создается новый массив (например, проведении работы со
светофильтрами). Массивы в любой комбинации можно выводить на экран.
Результаты эксперимента
На экране компьютера строится график зависимости напряжения на фотоэлементе от
положения щели на спектре, что приближенно можно считать зависимостью энергии
света (в относительных единицах) от частоты падающего света.
График распределения энергии в спектре лампы накаливания приведен на рис. 16.
Рис. 16. График распределения энергии в спектре лампы накаливания.
Состав установки.
Работа с установкой. Результаты работы.
Цвет графика определяется автоматически и достаточно грубо. Из за нехватки
времени не была произведена точная градуировка шкала частот. График носит, скорее,
качественный характер.
Литература.
1. Элементарный учебник физики. Под редакцией академика Г. С. Ландсберга. Том 3:
Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. Издание 13-е. Москва,
ФИЗМАТЛИТ, 2003 г.
2. Пособие по курсу электроники. Чеботарёв А. А. I часть. Москва, гимназия № 1567,
2004 г.
3. Пособие по курсу электроники. Чеботарёв А. А. III часть: Практические работы.
Москва, гимназия № 1567, 2006 г.
Состав установки.
Текст программы.
Приложение.
Текст обрабатывающей программы.
' Программа написана на языке
QBasic 4.5
' Комментарии размещены за
кавычкой
CLS
SCREEN 12
DIM k(0 TO 3) AS INTEGER
для
k(0) = 10: k(1) = 3: k(2) = 9: k(3) = 15
bottom = 368: amount = 20: pause2 = 2000
переменных
' Подготовка экрана
' Запись переменных, необходимых
'
управления двигателем
' Запись пользовательских
' Графический интерфейс:
LOCATE 1, 20: PRINT "Исследование зависимости энергии света"
LOCATE 2, 25: PRINT "лампы накала от длины волны"
LOCATE 28, 53: PRINT "Самойлов Ю.Л., 11Г, 2005-6г."
LOCATE 26, 28: PRINT "в и д и м ы й с в е т"
LOCATE 26, 4: PRINT "инфракрасный│"
LOCATE 24, 56: PRINT "7": LOCATE 7, 3: PRINT "E"
LOCATE 8, 1: PRINT "255": LOCATE 24, 5: PRINT "3"
LOCATE 24, 30: PRINT "5": LOCATE 24, 43: PRINT "6"
LOCATE 23, 3: PRINT "0": LOCATE 16, 1: PRINT "128"
LOCATE 24, 66: PRINT "(Гц∙10 )": LOCATE 24, 17: PRINT "4"
PSET (513, 374), 15: DRAW "m515,379 m518,375 u2 h1"
PSET (570, 370), 15: DRAW "d6 c0 m573,373 c15 r2 d2 u5 g2"
LINE
LINE
LINE
LINE
LINE
(510, bottom)-(30, bottom): LINE
(507, bottom - 2)-(510, bottom):
(32, bottom - 260)-(30, bottom (29, bottom - 255)-(31, bottom (29, bottom - 128)-(31, bottom -
-(30, bottom - 263)
LINE -(507, bottom + 2)
262): LINE -(28, bottom - 260)
255)
128)
' Основной цикл программы:
start1:
LOCATE 28, 1: PRINT "Начать измерения - <Пробел>, выход - <ESC>"
' Ожидание нажатия управляющей
клавиши
DO: a$ = INKEY$: LOOP UNTIL a$ = CHR$(27) OR a$ = " "
LINE (31, bottom)-(450, bottom - 256), 0, BF
LINE (31, bottom)-(450, bottom), 15
IF a$ = CHR$(27) THEN END
LOCATE 28, 1: PRINT "Остановить измерения - <ESC>
"
' Цикл перемещения двигателя
FOR i = 0 TO 80
a$ = INKEY$: IF a$ = CHR$(27) THEN EXIT FOR
' Усредненное определение
напряжения
q = 0
FOR l = 1 TO amount
jif = 0: jj = 0
FOR j = 0 TO 255
OUT 888, j
' Отправка кода на ЦАП
Состав установки.
Элементы Оптической системы.
IF INP(889) > 200 AND jif = 0 THEN jj = j: jif = 1
' Проверка срабатывания
компаратора
NEXT j
IF jif = 0 THEN jj = 255
q = q + jj
NEXT l
p = q / amount
' Отрисовка линии для одного
значения
c = 5: IF i < 77 THEN c = 1: IF i < 67 THEN c = 3
IF i < 57 THEN c = 10: IF i < 42 THEN c = 14: IF i < 36 THEN c = 6
IF i < 30 THEN c = 4: IF i < 19 THEN c = 12
LINE (31 + i * 5, bottom - p)-(35 + i * 5, bottom - p), c, B
'Перемещение двигателя на одну
позицию
IF i < 2 THEN FOR z = 1 TO 10000: NEXT z
IF i < 80 THEN OUT 890, k(i MOD 4): ifin = I
NEXT i
' Возврат двигателя в исходное
состояние
FOR i = ifin - 1 TO 0 STEP -1
FOR z = 1 TO pause2: NEXT z
OUT 890, k(i MOD 4)
NEXT i
GOTO start1
Элементы оптической системы.
Рис. 17. Лампа, линза и щель
коллиматора
Рис. 18. Щель фотоприемника
(сейчас она располагается в желтой части спектра)