Фотоэлектрические датчики

Текст
Фото

Фотоэлектрическим датчиком называется датчик, который реагирует на изменение освещенности.

Фотоэлектрический датчик инфракрасных меток

Фотоэлектрический датчик инфракрасных меток.

В фотоэлектрических датчиках используются 3 вида фотоэффекта (под фотоэффектом понимается явление изменения свойств вещества при изменении его освещен­ности):

  • внешний фотоэффект, состоящий в том, что под влиянием световой энергии происходит вылет электронов (эмис­сия) из катода электронной лампы; ве­личина тока эмиссии зависит от освещенности катода;
  • внутренний фотоэффект, состоя­щий в том, что активное сопротивле­ние (электропроводность) полупровод­ника находится в зависимости от его освещенности;
  • вентильный фотоэффект, заклю­чающийся в том, что между слоями освещаемого проводника и неосвещаемого полупроводника, разделенных тон­ким изоляционным слоем, возникает электродвижущая сила, величина кото­рой зависит от освещенности.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой вакуумную или газонаполненную лампу с катодом из фоточувствительного слоя.

Рисунок 1. Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом в электрическую сеть

Рисунок 1. Схема включения фотоэлемента с внешним фотоэффектом в электрическую сеть.

На рис. 1 приведена схема соединения фотоэлемента с анод­ной батареей. Анод  А и катод К фотоэлемента Ф заключены в стек­лянный баллон, из которого откачан воздух (у вакуумных фото­элементов) или который после откачки воздуха наполнен разрежен­ным газом — аргоном (у газонаполненных фотоэлементов).

Когда световой поток падает на катод, покрытый активным слоем, часть лучистой энергии, поглощаемая катодом, сообщается электронам и электроны вылетают из катода. Это явление называется фото­электронной эмиссией. Чтобы использовать эту эмиссию, между анодом и фотокатодом создается электрическое поле, направляю­щее электроны к положительно заряженному аноду. Когда дейст­вие света прекращается, ток в фотоэлементе исчезает.

К промышленным типам фотоэлементов с внешним фотоэффектом принадлежат фотоэлементы типа ЦГ (кислородно-цезиевый газонаполненный), типа СЦВ (сурьмяно-цезиевый вакуумный).

Работа фотоэлементов определяется их характеристиками. Рас­смотрим некоторые из них. Линия, изображающая зависимость фототока фотоэлемента от напряжения на аноде, называется вольт-амперной характеристикой.

Световой характеристикой фотоэлемента называется зависи­мость фототока от светового потока, падающего на фотокатод.

Характеристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом

Рисунок 2. Характеристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Световая характеристика определяет чувствительность фото­элемента. Чувствительность фотоэлемента есть отношение вели­чины фототока в микроамперах к величине светового потока в люменах, вызвавшего этот ток. Фотоэлемент реагирует на интен­сивность светового потока и его частоту, поэтому чувствительность его разделяется на интегральную (по интенсивности) и спектральную (по частоте).

Интегральной чувствительностью фотоэлемента называется величина тока фотоэлектронной эмиссии, создаваемого в фотоэле­менте всем световым потоком (от ультрафиолетовых до инфракрас­ных лучей включительно).

Спектральная чувствительность фото­элемента характеризует его способность реагировать на световые колебания одной частоты (т. е. определенной длины волны).

В вакуумных фотоэлементах анодный ток обусловлен только электронами, вылетающими из фотокатода, и световая характери­стика такого фотоэлемента линейна (прямые 1 и 2 на рис. 2 а). В газонаполненных фотоэлементах ток создается не только электро­нами, вылетевшими из катода, но также электронами и ионами, получающимися в результате ионизации газа, этим объясняет­ся нелинейность их световых характеристик (кривые 3 и 4 на рис. 2 а).

На рис. 2 а фототокI выражен в микроамперах, а световой поток Ф - в люменах.

В газонаполненных фотоэлементах имеющиеся молекулы газа создают возможность использовать ионизацию для увеличения фототока, что наглядно видно из сравнения вольт-амперных характеристик (рис. 2 б), газонаполненного фотоэлемента (кри­вая2) и вакуумного (кривая 1).

Фотосопротивление

Рисунок 3. Фотосопротивление.

Чувствительность газонаполненного фотоэлемента больше чув­ствительности вакуумного фотоэлемента. Например, при номи­нальном рабочем напряжении 240 В интегральная чувствительность вакуумного фотоэлемента типа СЦВ-4 составляет 100 мкА/лм, а газонаполненного фотоэлемента типа ЦГ-4 - 200 мкА/лм.

Использование фотоэлементов в схемах автоматики требует применения усилителей с очень большим коэффициентом усиления. Фотоэлементы с внутренним фотоэффек­том (фотосопротивления). Явление внутреннего фотоэффекта состоит в том, что в результате поглощения света в полупроводнике появляются дополнительные свободные электро­ны, благодаря чему проводимость вещества увеличивается, а сопро­тивление его уменьшается.

Фотосопротивление (рис. 3) со­стоит из светочувствительного слоя полупроводника Iтолщиной около 1 мкм, нанесенного на стеклянную или кварцевую пластин­ку 2. На поверхности полупроводника укреплены токосъемные электроды 3 (обычно золотые). Чувствительный к свету элемент с токосъемными электродами монтируется в пластмассовом корпусе так, чтобы выступающие электроды обеспечили включение фото­сопротивления в схему через специальную панель. На рис. 3 б приведен внешний вид и даны габариты фотосопротивления типа ФС-К1.

Выпускаемые промышленностью фотосопротивления имеют следующие типовые обозначения: за буквами ФС, обозначающими фотосопротивление, стоят буквы и цифры, имеющие отношение к составу материала и к конструкции фотосопротивления. Так, фото­сопротивления из сернистого свинца, кроме букв ФС, имеют обоз­начения А, из сернистого висмута - Б, из сернистого кадмия – К.

http://youtu.be/kPkqEbjgkss

Работа фотосопротивления заключается в том, что при освеще­нии электрическое сопротивление резко падает и, следовательно, ток в электрической цепи, в которую включено фотосопротивле­ние, возрастает. Ток через фотосопротивление, включенное в цепь, проходит и в темноте, но при освещении величина тока резко возрастает. Мерой чувствительности фотосопротивления является разность токов в темноте и на свету, отнесенная к величине свето­вого потока, падающего на фотосопротивление.

Следует подчеркнуть, что чувствительность фотосопротивле­ний во много раз больше чувствительности фотоэлементов с внеш­ним фотоэффектом. Интегральная чувствительность некоторых фотосопротивлений, например ФС-КМ2, при наибольшем допусти­мом напряжении составляет 3000—10000 мкА/лм.

http://youtu.be/qPk7FDRqEqg

Основными характеристиками фотосопротивления являются: спектральная, которая характеризует чувствительность фотосопро­тивления при действии на него излучения определенной длины волны; световая, которая характеризует чувствительность фотосовентильных фотоэлементов сравнительно велика, так как система электродов, разделенных тончайшим запирающим слоем, образует значительную емкость.

КОММЕНТАРИИ
  1. андрей

    По методу обнаружения фотоэлектрические датчики делятся на 4 основных группы.1-Пересечение луча.2-Отражение от рефлектора.3-Отражение от объекта.4-Фиксированное отражение от объекта.А по своему назначению фотодатчики разделяются на две основные группы.1-Датчики общего применения.2-Специальные датчики,преднозначенные для более узкого круга задач.

    Ответить
    • admin

      Андрей спасибо за хорошие комментарии и дополнения.

      Ответить
  • Добавить комментарий

×
Top