Školní experimentální systém ISES

Internetové Školní Experimentální Studio

LU1 - Fotorezistor

Pomůcky


Fotorezistor, systém ISES, modul ohmmetr, 2 spojovací vodiče, barevné filtry (modrý, zelený, žlutý, červený - pro jedno pracoviště 8 filtrů stejné barvy), zářivka, soubory: fotorez1.imc, fotorez2.imc, fotorez3.imc, fotorez4.imc.

Úkoly

  1. Vyzkoušet citlivost fotorezistoru na světlo. Určit jeho odpor při úplném osvětlení a při úplném zastínění.
  2. Určit závislost propustnosti barevných filtrů na jejich počtu. Sestrojit graf : Závislost vodivosti (propustnosti) na počtu filtrů a provést výpočet propustnosti pro 15 filtrů na sobě.
  3. Změřit frekvenci blikání zářivek a změny odporu.
  4. Změřit dobu krátkého zastínění fotorezistoru.

Teorie


Fotorezistor je polovodičová součástka, jejíž odpor závisí na množství dopadajícího světla (záření). Při poklesu osvětlení roste odpor a tedy klesá vodivost fotorezistoru. Odpor měříme ohmmetrem, vodivost vypočítáme
G = 1/R. Předpokládejme že vodivost je přímo úměrná osvětlení (při dodržení spektrálního složení světla) a tedy také propustnosti filtru.

Blikání zářivek se projeví jako velmi rychlé změny odporu fotorezistoru, které však při frekvenci 1000 měření za sekundu dokáže počítač zachytit.



Nastavení:
fotorez1.imc - čas 5 s, 100 Hz, automatický start, panel č.1 - odpor 0 kW  až 1 kW  digitálně (2 desetinná místa), panel č.2 - graf R=f(t) odpor R od 0 kW  do 1 kW
fotorez2.imc - stejné nastavení až na rozsah odporu 0 kW  až 10 kW
fotorez3.imc - čas 2 s, 1000 Hz, automatický start, panel č.1 - odpor 0 kW  až 1 kW  digitálně (2 desetinná místa), panel č.2 - graf R=f(t) odpor R od 0 kW  do 1 kW
fotorez4.imc - čas 2 s, 1000 Hz, automatický start, panel č.1 - graf R=f(t) odpor R od 0 kW  do 10 kW

Provedení

  1. Na ohmmetru nastavíme rozsah 1kW, zasuneme jej do kanálu A, připojíme fotorezistor (viz obr.1)
    Učitelský počítač musí být spuštěný. Poklepáním na "Software G" si zpřístupníme potřebné soubory a spustíme ISES. Založíme nový experiment a načteme do konfigurace "fotorez1.imc" a spustíme měření.
    Na obrazovce se objevuje údaj o odporu a graf závislosti odporu na čase. Zkoumáme citlivost na změnu polohy fotorezistoru i osob a věcí v okolí. Zastiňujeme fotorezistor z různých vzdáleností, můžeme si nechat "spočítat prsty".
    Do protokolu zapíšeme odpor při maximálním osvětlení Rmin a při úplném zastínění Rmax (bude třeba přepnout rozsah ohmmetru asi až na 100 kW), možná i výše.
    Opakování pokusu umožňují zelené šipky
    Ukončení měření provedeme dvojitým kliknutím levého tlačítka na ikonu "Stop"
  2. Červenými šipkami zvolíme nahrazení pokusu a do konfigurace načteme z katedry soubor "fotorez2.imc". Na ohmmetru nastavíme odpor 10 kW. Fotorezistor umístíme na stálé místo a položíme na něj jeden filtr. Spustíme měření, které trvá 5 s. Pak pomocí ikony "zpracování" a "klouzavý odečet" vybereme asi 10 hodnot a provedeme "aproximaci" přímkou .
    Výsledek bude např. takový: y = 0,022x + 0,762
    Proložená přímka by měla představovat konstantní funkci, tedy její směrnice by měla být nula nebo blízko nuly. Hodnota 0,762 je pro nás průměrná hodnota poněkud se měnícího odporu R(1) v kiloohmech a její převrácená hodnota je vodivost G(1) v milisiemens. Zapíšeme do tabulky č. 1.
    Staré údaje vymažeme vždy pomocí ikony "smazání výsledků" . Na fotorezistor položíme druhý filtr, zopakujeme měření pomocí zelených šipek a podobně určíme R(2) a G(2), tak postupujeme až do osmi filtrů. Během měření by neměl být okolo pohyb, aby se neměnilo osvětlení.
    Mezi výsledkem aprofimace a odečtenými hodnotami se přepíná ikonou a .
    Vodivosti v tabulce č. 1 tvoří posloupnost klesajících čísel, tak jak při zvyšujícím se počtu filtrů klesá propustnost světla. Do posledního sloupce tabulky vypočítáme poměry G(n+1)/G(n). Pokud např. poměr G(3)/G(2) vyjde 0,76 , fyzikálně to znamená, že třetí filtr propustil 76% světla procházejícího prvními dvěma filtry.
    Provedeme výpočet G(8)/G(1) vyjádříme slovy jeho fyzikální význam. Pokusíme se vypočítat, kolik světla by prošlo přes 15 filtrů.
  3. Na ohmmetru nastavíme odpor 1 kW. Červenými šipkami zvolíme nahrazení pokusu a do konfigurace načteme z katedry soubor "fotorez3.imc". Povšimneme si, že vzorkování je teď 1000 Hz. Spustíme měření při rozsvícených zářivkách. Během dvousekundového měření se zobrazí graf, který je ale nějak "rozmazaný". Během 2 sekund se totiž provedlo 2000 měření a tím se zachytilo i kolísání jasu zářivek a tedy kolísání odporu.
    Blíže si prohlédneme graf pomocí "lupy" . Najedeme-li kurzorem na plochu grafu - změní se na tuto značku
    Umístíme lupu ke grafu, držíme stlačené levé tlačítko myši, provedeme výřez a tlačítko uvolníme. Pokud se nám zvětšení zdá být nedostačující, můžeme postup opakovat. Provedeme zvětšení asi 11 period.
    Návrat zpátky ke zmenšení se provede ikonou .

    Po zvětšení je vidět, že grafem je periodická křivka. Nejnižší hodnoty odporu odpovídají okamžikům maximálního osvětlení. Horní špičky na křivce zase přísluší minimálnímu osvětlení.

    Nyní z grafu zjistíme, jak odpor kolísá.
    Zvolíme ikonu "zpracování" a nástroj "odečet rozdílu" .
    Kurzor se nad plochou grafu změní na tento tvar: Je to symbol D (delta), tedy rozdílu x-ových a y-ových souřadnic.
    Umístíme křížek na nějaké minimum a při stlačeném levém tlačítku myši táhneme na libovolné maximum a pak uvolníme. V okně "výsledky zpracování" se objeví vedle sebe dvojice čísel. To první je Dx (rozdíl časů) a to druhé Dy (rozdíl odporů).

    Zapíšeme do protokolu.

    DR = .. W

    Dále z grafu zjistíme frekvenci blikání.
    Pomocí ikony "odečet rozdílu" odečteme čas připadající na 10 period. Čas odpovídající jedné periodě získáme vydělením deseti. Frekvenci f = 1/T zaokrouhlíme na celé hertzy.
    Program ale umí změřit frekvenci i pomocí ikony "odečet frekvence" . Kurzor se změní nad plochou grafu na vlnovku. Umístíme jej na libovolné místo a při stlačeném levém tlačítku přetáhneme zleva doprava přes zhruba 10 period a tlačítko uvolníme (tažená čára musí protínat graf!). V okně "výsledky zpracování" přečteme frekvenci a zaokrouhlíme na celé hertzy.
    Oba postupy (přes periodu i přímé měření frekvence) zopakujeme několikrát, abychom se přesvědčili, že se s časem frekvence nemění. Zapíšeme do protokolu.

  4. Ohmmetr přepneme na rozsah 10 kW. Červenými šipkami zvolíme nahrazení pokusu a do konfigurace načteme z katedry soubor "fotorez4.imc", který opět měří 1000 krát za sekundu a spustíme měření. Během dvou sekund je třeba prstem jemně klepnout na fotorezistor, aby se na okamžik zakryl. Dokážete odhadnout, jak dlouho zakrytí trvá?
    Dobu zakrytínyní určíme z grafu na obrazovce:

    Okolí extrému si pomocí lupy zvětšíme a asi v polovině výšky píku (to je užívaný název) provedeme pomocí nástroje "odečet rozdílu" odečtení času.

    Experiment nahradíme pomocí červených šipek.
    Pokus si každý vyzkouší několikrát a do tabulky č. 2 zapíše pět vlastních zdařilých pokusů.

Zkrácená verze

  • Na modulu ohmmetr nastavíme rozsah 1 kW a zasuneme do kanálu A.
  • Dvěma vodiči připojíme fotorezistor.
  • Poklepáním na "Software G" si zpřístupníme soubory fotorez1.imc až fotorez4.imc.
  • Spustíme ISES, založíme nový experiment, načteme do konfigurace fotorez1.imc.
  • Hledáme Rmin a Rmax.ukončíme dvojitým "STOP".
  • Měření ukončíme dvojitým STOP.
  • Na modulu ohmmetr nastavíme rozsah 10 kW a načteme fotorez2.imc.
  • Pomocí Zpracování - Klouzavý odečet - Aproximace - přímkou určíme pro jeden až osm filtrů průměrnou hodnotu odporu R(n) a vodivost G(n).
  • Výsledky zapíšeme do tabulky č. 1 a provedeme příslušné výpočty
  • Na modulu ohmmetr nastavíme rozsah 1 kW, načteme fotorez3.imc.
  • Změříme osvětlení od zářivek, lupou upravíme graf (asi 11 period).
  • Pomocí nástroje Odečet rozdílu změříme kolísání odporu na 10 period, vypočteme frekvenci.
  • Pomocí nástroje Odečet frekvence určíme znovu frekvenci.
  • Na modulu ohmmetr nastavíme rozsah 10 kW a načteme fotorez4.imc.
  • Krátce klepneme na fotorezistor prstem.
  • Zvětšíme si pík lupou a pomocí nástroje Odečet rozdílu určíme dobu zastínění v polovině výšky píku. Pět zdařilých pokusů zapíšeme do tabulky č. 2.

Protokol

Název: Fotorezistor
Pomůcky:
Teorie:
Vypracování:

  1. Odpor fotorezistoru při plném osvětlení: Rmin = ..,.. kW
     při úplném zastínění Rmax = ..,.. kW
  2. Tabulka č. 1: prostupnost filtrů (červený nebo zelený nebo modrý nebo žlutý)
    počet filtrů R(n)
    kW    		 G(n)
    mS    		 G(n+1)
    G(n)
    1 .,... .... .,..
    2 .,... .... .,..
    3 .,... .... .,..
    4 .,... .... .,..
    5 .,... .... .,..
    6 .,... .... .,..
    7 .,... .... .,..
    8 .,... .... .,..
    Porovnání propustnosti jednoho a osmi filtrů: G(8)/G(1) = .,..
  3. Blikání zářivek
    změny odporu: DR = .. W,
    měření periody: 10T = .,.. s ,  1T = .,.. s,  f = ... Hz
    měření frekvence: f´ = ... Hz
  4. Tabulka č. 2: Zastínění fotorezistoru prstem
    Č. měření 1 2 3 4 5
    Dt/ms .. .. .. .. ..
Závěr:
Diskutovat závislost odporu fotorezistoru na osvětlení, porovnat propustnost jednoho až osmi stejných filtrů na sobě, vyhodnotit graf. Kolik procent světla by prošlo přes 15 takových filtrů? Jaké jsou změny odporu fotorezistoru při blikání zářivek? S jakou frekvencí blikají zářivky? Porovnáme s frekvencí střídavého napětí v zásuvce. Kolik milisekund vám průměrně trvá klepnutí prstem na fotorezistor?
Výsledky
  1. Odpor fotorezistoru při plném osvětlení: Rmin = 0,43 kW
     při úplném zastínění Rmax = 22 kW
  2. Tabulka č. 1: prostupnost filtrů (červený)
    počet filtrů R(n)
    kW    		 G(n)
    mS    		 G(n+1)
    G(n)
    1 0,762 1312 -
    2 1,120 893 0,68
    3 1,468 681 0,76
    4 1,908 524 0,77
    5 2,430 412 0,79
    6 3,167 316 0,77
    7 3,998 250 0,79
    8 5,037 199 0,97
    Porovnání propustnosti jednoho a osmi filtrů: G(8)/G(1) = 0,15

    Číslo v posledním sloupci tabulky č. 1 budeme nazývat kvocient q a pokud vypočítáme jeho geometrický průměr, vyjde q = 0,76. Pro 15 filtrů použijeme výpočet: G(15)/G(1) = q14 = 0,021.
  3. Blikání zářivek
    změny odporu: DR = 54 W, ale také např. 28W nebo 117W
    měření periody: 10T = 0,10 s ,  1T = 0,01 s,  f = 100 Hz
    měření frekvence: f´ = 100 Hz
  4. Tabulka č. 2: Zastínění fotorezistoru prstem
    Č. měření 1 2 3 4 5
    Dt/ms 40 34 35 33 38
Závěr:
Při maximálním osvětlení klesl odpor fotorezistoru na 0,43 kW při zastínění vzrostl na 22 kW (ale mohou vyjít až megaohmy).

S rostoucím počtem červených filtrů roste odpor a klesá vodivost fotorezistoru. Jednotlivé vodivosti tvoří s dosti dobrou přesností osm členů geometrické posloupnosti s průměrným kvocientem 0,76. Závislost vodivosti (tedy i propustnosti) na počtu filtrů je exponenciální, aproximovaná funkce je G = e-2635n s koeficientem korelace k = 0,9974. Poměr G(8)/G(1) = 0,15 lze chápat tak, že sedm filtrů propustilo 15% světla, které prošlo prvním filtrem. Při použití 15 filtrů na sobě by propustnost světla klesla na 2,1% světla prošlého prvním filtrem.

Pro filtry jiné barvy vychází propustnost jiná.

Odpor fotorezistoru v důsledku blikání zářivek kolísal o 54 W, frekvence kolísání určená měřením periody i přímo vyšla 100 Hz. To je dvojnásobek frekvence střídavého napětí v elektrické rozvodné síti a odpovídá frekvenci výkonu střídavého proudu.

Průměrná hodnota zatmění fotorezistoru se pohybovala v desítkách milisekund, v našem případě vyšla průměrná hodnota 36 ms.

Ukázky měřicích obrazovek

Úkol č. 2: Měření odporu fotorezistoru - s červeným filtrem (fotorez2.imc)

Úkol č. 3: Snímání světla zářivek - měření kolísajícího odporu (fotorez3.imc)

Úkol č. 3: Snímání světla zářivek - měření frekvence (fotorez3.imc)

Úkol č. 4: Krátké zastínění - měření času (fotorez4.imc)

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 21.7.2014