Фотоэлектрические датчики
Фотоэлектрическим датчиком называется датчик, который реагирует на изменение освещенности.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
Читайте также: домашняя метеостанция