книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства
..pdfк отрицательно заряженной сетке и нейтрализуют ее действие. Погасить зажженный тиратрон можно только уменьшением анод ного напряжения до величины меньшей, чем величина потен циала ионизации. Для сохранения управляемости со стороны сетки используются специальные схемы или на анод подается переменное напряжение. В последнем случае тиратрон (при опре деленном сеточном режиме) в каждый период гаснет п зажигается, при этом восстанавливается управляющая способность сетки ти ратрона.
Тиратроны по сравнению с электронными лампами имеют следующие эксплуатационные особенности: 1) для определения величины анодного тока нужно знать сопротивление анодной нагрузки и напряжение анодного питания; 2) в условиях эксплуа-
Рис. 14. Волътамперыая характер!!- |
Рис. 15. Пусковая характеристика |
стпка тиратрона. |
тиратрона. |
тацин необходимо предварительно разогревать катод и поддер живать повышенную стабильность напряжения накала.
Первая особенность требуют осторожного выбора анодной на грузки и напряжения источника анодного питания, так как увели чение анодного тока сверх допустимых пределов выводит тиратрон из строя. В ряде случаев в анод включают добавочные сопротивле ния. Вторая особенность объясняется тем, что при недокале ка тода сопротивление тиратрона и напряжение между катодом и анодом возрастают. В результате этого под действием сильного электрического поля положительные ионы приобретают большую скорость и с силой бомбардируют катод, разрушая активный слой. В таких условиях срок службы тиратрона значительно сокра щается.
Явление недокала наблюдается при одновременном включе нии напряжений анода и накала и сильном понижении напря жения накала, объясняемом, например, колебаниями напряже ния сети. Поэтому в приборах с тиратронами обычно накал и анод включаются раздельно. Иногда делают автоматическое устройство для задержки включения анода при включении сети на прибор. Только самые маломощные тиратроны (такие, как ТГЗ-0,1/1,3 и ТГ1-0,02/0,5) допускают одновременное вклю чение анода и накала без заметного сокращения срока службы.
31
Тиратроны с холодным катодом. По своей конструкции они аналогичны стабилитронам, но имеют три электрода: анод (обычно в виде стержня), имеющий небольшую поверхность, катод — электрод с большой поверхностью и, кроме того, упра вляющий электрод, как правило, с небольшой поверхностью, он расположен ближе к катоду. У некоторых тиратронов (например, типа ТХ-1) управляющий электрод и катод имеют одинаковую форму и размещены симметрично относительно анода.
На рис. 16 схематично показана конструкция тиратрона типа МТХ-90.
Величина анодного напряжения, при которой возникает тлеющий разряд между основными электродами тиратрона с хо лодным катодом, зависит от наличия и величины тока в цепи управляющего элек трода. Это позволяет использовать такие
Рис. 16. |
Устройство ти |
Рис. 17. Схема включения тиратрона с хо |
|
ратрона с холодным ка |
лодным катодом. |
||
тодом типа МТХ-90. |
|
||
1 — анод; |
3 — катод; 3 — |
|
|
управляющий |
электрод; |
|
|
4 — баллон. |
|
тиратроны в схемах безнакальных реле, тригерных и пересчетных схемах.
На рис. 17 показана простейшая схема безнакального реле на тиратроне с холодным катодом, причем использовано его условное изображение*. При разомкнутой цепи управляю щего электрода (уэ) напряжение источника Е& недостаточно, чтобы вызвать тлеющий разряд в цепи катод (к) — анод (а), и, следовательно, / а = 0. При замыкании цепи управляющего электрода возникает разряд сначала в промежутке катод — упра вляющий электрод, а затем и между основными электродами. При этом ток в цепи управляющего электрода / у. э не превосходит нескольких десятков микроампер, а анодный ток равен несколь ким миллиамперам.
Тиратрон может быть использован и так, что ток в цепи упра вляющего электрода будет протекать все время; при этом в кон трольной точке он возрастет и вызовет разряд в цепи основных1
1 Применяется также условное обозначение, при котором управляющий электрод изображается аналогично сетке электронных ламп.
32
электродов. Способы сохранения влияния управляющего элек трода на анодный ток после появления тлеющего разряда в тира троне с холодным катодом те же, что и в тиратроне с накаливаемым катодом.
При помощи тиратронов с холодным катодом можно управлять сравнительно небольшими мощностями, но так как в этих тиратро нах отсутствует накаливаемый катод, они экономичны и при пра вильном использовании надежны.
Промышленностью серийно выпускаются тиратроны несколь ких типов с холодным катодом: миниатюрные МТХ-90, ТХ1Б, ТХЗБ, ТХ4Б и более мощные ТХ-1. Первые чаще применяются для визуальной световой сигнализации, они оформлены в виде сигнальной лампочки. Однако могут управлять и электромаг нитным реле с током срабатывания не более 6—7 ма. В анодной цепи тиратрона типа ТХ-1 может протекать ток до 25 ма.
§ 6. Фотоэлементы
Фотоэлементы — приборы, употребляемые для того, чтобы обнаружить или измерить изменение освещенности. Фотоэлементы используют явление фотоэффекта, который состоит в том, что частицы лучистой энергии, проникая в поверхностные слои ве щества, отдают свою энергию электронам. Приобретшие допол нительную энергию электроны могут или выходить из поверх ностного слоя вещества наружу (явление внешнего фотоэффекта — фотоэмиссии), или проникать внутрь вещества, понижая его электрическое сопротивление (явление внутреннего фотоэф фекта, или переходить из одной части вещества в другую через так называемый запирающий слой, в результате чего появляется разность потенциалов между частями вещества, ле жащими по разные стороны от запирающего слоя (фотоэффект запирающего слоя или вентильный).
В зависимости от вида фотоэффекта, который используется в том или другом фотоэлементе, фотоэлементы делятся на три вида: а) фотоэлементы с внешним фотоэффектом, б) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом — фотосопротивления и в) фото элементы с запирающим слоем или вентильные фотоэлементы.
Прежде чем перейти к описанию работы отдельных типов фотоэлементов, коротко напомним основные понятия, характер ные для световых явлений.
Световые явления. По своей природе свет представляет собой электромагнитные колебания, такие же, как и колебания радио волн.
По современным воззрениям всякое электромагнитное коле бание имеет двойственный характер: с одной стороны, ему при сущи волновые свойства, с другой — свойства потока отдельных частиц. Чем выше частота электромагнитного колебания, тем слабее свойства волны и сильнее свойства потока отдельных частиц. Например, радиоволны имеют практически только вол новые свойства, а рентгеновские или у-лучи — только свойства
3 Заказ 448. |
33 |
потока частиц. Для световых лучей характерны волновые свой ства и свойства потока частиц. Свет — это поток частиц лучистой энергии, которые называются квантами света или фотонами. Од нако световым колебаниям присущи и ясно выраженные волно вые свойства, которые проявляются в явлениях отражения,
преломления и |
диффракции света. Энергия фотонов возрастает |
с увеличением |
частоты световых колебаний. |
Диапазон (т. е. пределы частот или длин волн) световых волн, или, как говорят, спектр, очень велик, и лишь незначительная его часть приходится на видимый свет, т. е. на такие световые колебания, которые в глазу вызывают ощущение света. Большая же часть световых волн на глаз никакого действия не оказывает, но может быть обнаружена по их тепловому п химическому дей ствию, а также по явлению фотоэффекта.
Ультрафиоле-
тодые лучи Видимые лучи Инфракрасные лучи
|
' |
о,2 |
ОА |
06 |
08 |
to |
ti |
|
|
Длина волны в микронах |
|
|
|||
|
|
Рис. 18. Спектр световых волн. |
|||||
На рис. 18 показан состав спектра световых волн. Видимый |
|||||||
участок |
спектра занимают |
световые |
волны |
длиной от 0,4 до |
|||
0,8 м к |
(микрон — единица длины, равная одной тысячной доле |
||||||
миллиметра). Длина |
волны |
в |
0,4 м к |
соответствует фиолетовому |
|||
цвету, |
а в |
0,76 м к |
красному |
цвету. |
|
||
Световые |
волны |
длиннее |
0,8 м к |
составляют так называемый |
|||
инфракрасный участок спектра. |
|
|
Для инфракрасных лучей характерна способность легко про никать через различные вещества даже значительной плотности, например эбонит, дерево. Инфракрасные лучи оказывают значи тельное тепловое действие, но химическое их действие очень слабое.
Световые волны короче 0,4 м к составляют ультрафиолетовый участок спектра. Энергия фотонов ультрафиолетовых лучей значи тельно больше, чем инфракрасных н видимых лучей. Ультрафио летовые лучи очень активны в химическом отношении, но они легко задерживаются веществами, прозрачными для видимых лучей, — обыкновенным стеклом, запыленным воздухом.
Источниками световых волн обычно являются накаленные тела — солнце, волосок электролампы, горящие пары или газы и т. д. Каждое накаленное тело излучает световые волны различ ной длины. С увеличением температуры тела возрастает количе ство более коротких волн. Например, металлический предмет, нагретый до 300° С, испускает только инфракрасные лучи, кото рые глаз не воспринимает. Если температуру этого предмета повысить до 600° С, то в его излучении появляется волна короче 0,8 м к — глаз отметит появление красного цвета. При дальней шем возрастании температуры металлического предмета он все
34
больше излучает волн видимой части спектра — его цвет ста новится все более светлым. При очень высоких температурах тела начинают испускать и ультрафиолетовые лучи.
Сила фотоэффекта зависит от спектра излучения, падающего на данное вещество, т. е. от длин световых волн, входящих в со став данного излучения. В общем фотоэффект тем сильнее, чем короче длина волны излучения и больше энергия фотонов. Но эта закономерность проявляется только в случае однородных ве ществ, например чистых металлов. В случае сложных веществ максимальный фотоэффект наблюдается для определенных участ ков спектра.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. На рис. 19 показано
устройство фотоэлемента с |
внешним фотоэффектом. Он предста |
|||||||||
вляет собой стеклянную колбу, из |
.К |
|||||||||
которой |
откачан |
воздух. |
Внутри |
|||||||
колбы помещаются два электрода — све |
Свет |
|||||||||
точувствительный катод |
К |
и анод |
А. |
|
||||||
Катод представляет собой слой веще |
|
|||||||||
ства, |
нанесенного |
непосредственно |
па |
|
||||||
стекло |
баллона. |
Катод |
занимает при |
|
||||||
мерно |
половину |
|
круглой |
части бал |
|
|||||
лона, |
вывод |
от |
него |
осуществляется |
|
|||||
при помощи проволоки, впаянной в |
Рис. 19. Фотоэлемент с |
|||||||||
стекло. |
Свет |
проходит |
через |
непо |
внешним эффектом. |
|||||
крытую |
часть |
стеклянного |
баллона |
|
внутрь и падает на катод. Фотопы отдают свою энергию электро нам вещества катода и вызывают эмиссию электронов с его поверх ности.
Анод представляет собой металлическое кольцо или пластинку, имеющую вывод через цоколь, т. е. ему придают такие форму и расположение, чтобы он возможно меньше препятствовал лучам света достигать катода.
Величина фотоэмиссии, т. е. количество электронов, выби ваемых из катода фотонами, в очень сильной степени зависит от материала катода. Большинство металлов начинает выделять электроны только при облучении их ультрафиолетовыми лучами, на видимые лучи они не реагируют. Поэтому для изготовления ка тодов фотоэлементов применяются специально обработанные ще лочные металлы — цезий, рубидий, калий, натрий и др.
У этих металлов наблюдается фотоэффект при облучении видимыми лучами. Особенно хорошие результаты дают катоды, содержащие цезий. Цезий применяется обычно не в чистом виде, а в соединении с кислородом (окись цезия) и с сурьмой.
Имейно катоды этих двух типов — кислородно-цезиевый и сурьмяно-цезиевый — и получили наибольшее распространение.
На рис. 20, а показано включение фотоэлемента с внешним эффектом. На электроды фотоэлемента подается напряжение от источника питания Е& так, что на катод подается минус, а вс апод плюс. При попадании света на катод фотоэлемента из катода
3* |
35 |
начнут вылетать электроны, которые будут притягиваться ано дом. По внешней цепи потечет электрический ток /ф, который в этом случае называют фототоком. Появление фототока при по падании света на катод будет отмечено гальванометром G, который показан на схеме. Если доступ света к катоду прекратить, прекра тится и фототок.
Между количеством света, падающего па катод фотоэлемента, и силой фототока существует строгая пропорциональность, т. е. если количество света увеличить вдвое, то вдвое возрастет и фото ток и т. д. Это очень важное обстоятельство дает возможность применять фотоэлементы для очень точных измерений силы света. Другое не менее важное свойство фотоэлементов — их безынерционность, т. е. они мгновенно реагируют на изменение силы света. Это позволяет использовать фотоэлементы в звуковом кино, телевидении и в сложнейших схемах автоматики.
Рис. 20. Включение фотоэлементов с внешним эффектом.
а — вакуумного; б — газонаполненного.
Фотоэлементы характеризуются большой чувствительностью, они реагируют на самые незначительные изменения в световом потоке, которые на глаз незаметны. Но фототоки по величине незначительны, и для их усиления применяются сложные элек тронные схемы.
Один из способов увеличения фототоков — применение газо наполненных фотоэлементов.
По своей конструкции и материалу катода газонаполненные фотоэлементы ничем не отличаются от описанных выше вакуум ных. Внутрь баллона этих фотоэлементов после откачки воздуха впускается некоторое количество инертного газа (обычно при меняется аргон). Процессы, происходящие в газонаполненном фотоэлементе, сходны с теми, которые происходят в неоновой лампе: электроны, вылетающие из катода вследствие фотоэффекта, приобретают достаточную скорость под влиянием электрического поля анода, ионизируют молекулы газа, вследствие чего коли чество электронов, достигающих анода, возрастает в несколько раз.
Но между неоновой лампой и газонаполненным фотоэлемен том имеется и существенная разница. В неоновой лампе после
36
зажигания происходит самостоятельный тлеющий разряд, при котором сила тока уже не зависит от количества первичных элек тронов, вылетающих из катода. В газонаполненном фотоэлемспте используется такая стадия ионизации, когда самостоятельного разряда еще не получается и сохраняется пропорциональность между количеством электронов, вылетающих из катода вслед ствие фотоэффекта, и количеством электронов, достигающих анода, т. е. фототоком. Необходимый режим ионного процесса в фото элементах достигается благодаря соответствующему выбору да вления (вернее, разрежения) газа в баллоне и величины разности потенциалов между анодом и катодом. Фотоэлемент может «за жечься», т. е. в нем начнется самостоятельный разряд, в том слу чае, если разность потенциалов между его электродами значи тельно возрастет против нормы. Тогда фотоэлемент выходит из строя, так как мощный поток положительных ионов, падающих на катод, разрушает светочувствительный слой.
Чтобы предохранить газонаполненный фотоэлемент от зажи
гания и разрушения, его обычно |
включают последовательно |
с добавочным сопротивлением Ядов, |
которое ограничивает силу |
тока в цепи и препятствует возникновению самостоятельного разряда. На рис. 20, б показано включение газонаполненного фотоэлемента. Здесь применено его обычное условное изображение на схемах.
Газонаполненные фотоэлементы имеют большую чувствитель ность, чем вакуумные. Однако газонаполненным фотоэлементам нехарактерна строгая пропорциональность между световым по током и фототоком, поэтому для измерительных целей они ме нее пригодны, чем вакуумные. Газонаполненным фотоэлементам свойственна некоторая инерционность действия, т. е. отставание во времени изменения фототока от изменения светового потока, измеряемая десятитысячными долями секунды, что в некоторых случаях имеет значение. Но для большинства схем автоматики указанные недостатки газонаполненных фотоэлементов несуще ственны.
Область применения фотоэлементов различных типов опреде ляется основными свойствами, параметрами фотоэлементов и их характеристиками, т. е. зависимостью фототока от различных величин: светового потока (световая характеристика), напряжения на электродах (вольтамперная характеристика) и длины волны света (спектральная характеристика).
Важнейшими параметрами фотоэлементов с внешним фотоэф фектом являются: а) напряжение питания; б) напряжение зажи гания (для газонаполненных фотоэлементов); в) начальная чув ствительность, ее изменение во времени и величина остаточной чувствительности.
Напряжение питания большинства фотоэлементов, выпускае мых промышленностью, должно равняться 200—250 в. При этом напряжении питания фотоэлемент имеет нормальную чувстви тельность.
37
Напряжение зажигания газонаполненных фотоэлементов равно 300—320 «.
Чувствительность фотоэлементов измеряется силой фототока, появляющегося в цени при освещении катода светом определен ной силы, т. е. при попадании на катод определенного количества света, или, как говорят, светового потока. Световой поток изме ряется в люменах. Люмен — большая единица. он соответствует примерно световому потоку, который падает на площадь 1 дм2, находящуюся на расстоянии 1 л от электролампы мощностью 125 вт. При обычном использовании фотоэлементов на их катод падает световой поток, измеряемый сотыми долями люмена. Единица чувствительности фотоэлемента мка/лм (микроампер на 1 люмен).
Рис. 21. Световые (а) и вольтамперные (б) характе ристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом.
Чувствительность фотоэлементов непостоянна. Вначале она имеет максимальную величину (начальная чувствительность), затем при непрерывном освещении фотоэлемента наступает его «утомление» — чувствительность постепенно падает, сначала быстро, потом все медленнее и стабилизируется на некотором уровне (остаточная чувствительность). Степень утомляемости сильно зависит от силы света, падающего на фотоэлемент, и воз растает с увеличением силы света.
Снижение чувствительности фотоэлементов необходимо учи тывать при конструировании аппаратуры и при ее эксплуатации.
Параметры наиболее применяемых фотоэлементов, выпускае мых промышленностью, приведены в приложении 3.
На рис. 21, а приведены световые характеристики различных фотоэлементов. Они показывают, что чувствительность газона полненных фотоэлементов 2 выше, чем у вакуумных 1, но зави симость фототока от светового потока имеет прямолинейный ха рактер только в некоторых пределах.
На рис. 21, 6 показаны вольтамперные характеристики ва куумного 1 и газонаполненного 2 фотоэлементов. Онп имеют со вершенно различный характер, совпадая только в самом начале.
В вакуумном фотоэлементе при повышении напряжения на аноде от нуля фототок быстро возрастает и при Ua = 50 в дости гает величины, которая при дальнейшем повышении напряжения
Л8
изменяется очень мало. Это значит, что, начиная с анодного на пряжения, равного 50 в, все вылетающие из катода под дей ствием света электроны попадут на анод — достигнут ток насы
щения.
В газонаполненном фотоэлементе насыщение не наступает вследствие ионизации газа, которая усиливается с увеличением анодного напряжения. Фототок с повышением напряжения все время увеличивается с нарастающей скоростью, пока не насту пают самостоятельный разряд п разрушение катода.
Следовательно, в вакуумном фотоэлементе в значительных пределах фототок практически не зависит от величины анодного
напряжения |
и |
опреде |
ч |
|
ляется только |
величи |
•.О |
||
ной светового |
потока, |
|
||
падающего |
на |
катод. |
|
|
В газонаполненных фо |
|
|||
тоэлементах, |
наоборот, |
|
||
фототок |
очень |
сильно |
|
|
зависит |
от |
величины |
|
|
анодного |
напряжения, |
|
||
поэтому |
в |
случае ис |
|
пользования |
их |
в |
схе |
Рис. 22. Спектральные |
характеристики фото |
|
мах автоматики |
|
при |
||||
нимаются меры |
к |
ста |
элементов. СЦ— ФЭ с |
внешним эффектом |
с |
|
сурьмяно-цезиевым катодом; ИЦ — то же |
с |
|||||
билизации |
питающего |
кислородно-цезиевым катодом. |
|
напряжения.
Спектральные характеристики фотоэлементов зависят почти исключительно от материала и обработки катодов. На рис. 22 приведены спектральные характеристики фотоэлемептов с сурь мяно-цезиевым и кислородно-цезиевым катодами. Характери стика первого (СЦ) лежит в ультрафиолетовой и видимой областях спектра (примерно от 0,2 до 0,7 мк). Это значит, что на видимые лучи красного цвета (0,76 мк) и на инфракрасные лучи этот фото элемент вообще не реагирует. Характеристика второго фото элемента (КЦ) охватывает всю видимую область спектра и ближай шую инфракрасную часть его. Максимум чувствительности лежит в начале инфракрасной части спектра.
При выборе фотоэлемента для определенной схемы автоматики следует учитывать его спектральную характеристику. Для ис пользования максимальной чувствительности фотоэлемента нужно стремиться к тому, чтобы спектральные характеристики источ ника света и фотоэлемента как можно ближе совпадали.
Фотоумножители. Наиболее совершенной разновидностью фото элементов с внешним фотоэффектом являются фотоумножители. По принципу действия и параметрам они напоминают вакуумные фотоэлементы, однако в них первичный фототок значительно уси ливается благодаря использованию вторичной эмиссии электро нов, т. е. способности электронов, движущихся с большой ско ростью в вакууме, при ударе о специально обработанную по
39
верхность выбивать с нее значительно большее число элек тронов.
На рис. 23, а показан внешний вид, а на рис. 23, б схема включения простейшего однокаскадного фотоумножителя типа ФЭУ-1. Он состоит из стеклянного баллона, из которого откачан воздух, трех электродов (катода, анода я эмиттера), расположен ных в баллоне, и цоколя с контактами для включения.
Напряжение питания к электродам фотоумножителя вклю чают так, что анод относительно катода имеет потенциал 220 в, а эмиттер 170 в. Таким образом, анод относительно эмиттера за
ряжен положительно. |
| |
|
|||
Действует |
|
ФЭУ-1 |
а |
||
так. |
Свет, |
проникая |
|
|
|
сквозь стекло |
баллона, |
|
|
||
попадает на |
фотока |
|
|
||
тод, |
из которого |
выле |
|
|
|
тают |
электроны |
и под |
|
|
Рис. 23. Внешний вид (а) и Рис. 24. Многокаскадный фотоумножитель, схема включения (б) одно каскадного фотоумножи
теля.
действием электрического поля устремляются в сторону анода. Проскочив сквозь отверстия в аноде, представляющем собой редкую сетку, электроны ударяются о поверхность эмиттера, рас положенного непосредственно за анодом. Выбитые из эмиттера вторичные электроны притягиваются анодом, они увеличивают фототок.
Чувствительность однокаскадного фотоумножителя в 7—10 раз больше чувствительности аналогичных вакуумных ФЭ. Од нокаскадные фотоумножители нашли широкое применение в кино (звуковоспроизведение).
Для большего усиления первичного фототока применяют многокаскадные ФУ. Принцип действия (а) и схема включения (б) такого фотоумпожителя показаны на рис. 24. ФУ состоит из фо токатода, анода и нескольких эмиттеров. Электроны, вылетаю щие под действием света из фотокатода и ускоряющиеся электри ческим полем, попадают на первый эмиттер. Вторичные элек
40