14.3 Фотоэлектрические датчики

Ф

Рис. 29 Схема подключения измерительного устройства

отоэлектрическим датчиком называется датчик, который реагирует на изменение лучистой энергии (освещенности), излучаемой источником (электролампой). В фотоэлектрических датчиках используются три вида фотоэффекта:

а) внешний фотоэффект, состоящий в том, что под влиянием лучистой энергии происходит вылет электронов (электронная эмиссия) из катода электронной лампы; величина тока эмиссии зависит от освещенности катода;

б) внутренний фотоэффект, состоящий в том, что активное сопротивление (электропроводность) полупроводника находится в зависимости от его освещенности;

в) вентильный фотоэффект, заключающийся в том, что между слоями освещаемого проводника и не освещаемого полупроводника, разделенных тонким изоляционным слоем, возникает электродвижущая сила, величина которой зависит от освещенности.

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

Н

Рис. 30 Схема соединения фотоэлемента с анодной батареей

а рис. 31 приведена схема соединения фотоэлемента с анодной батареей. Анод А и катод К фотоэлементы 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 электроном и они 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.

Работа фотоэлементов определяется их характеристиками. Рассмотрим некоторые из них.

Вольт-амперной характеристикой называется линия, изображающая зависимость фототока фотоэлемента от напряжения на аноде.

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 тока в люменах, вызвавшего этот ток.

Фотоэлемент реагирует на интенсивность светового тока 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).

Спектральной чувствительностью 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 тотокатода, и световая характеристика такого фотоэлемента линейна.

В газонаполненных элементах ток создается только электронами, вылетевшими из катода, но также электронами и ионами, получающимися в результате ионизации газа; этим объясняется нелинейность их световых характеристик.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления). Явление внутреннего фотоэлемента состоит в том, что в результате поглощения света в полупроводнике появляются дополнительные свободные электроны, благодаря чему проводимость вещества увеличивается, а сопротивления его уменьшается. Фотосопротивление (рис. 32) состоит из светочувствительного слоя полупроводника 1 толщиной 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. 39, б приведен внешний вид и даны габариты фотосопротивления.

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.

Рис. 31 Схема подключения фотосопротивления (а) и его внешний вид (б)

Мерой чувствительности фотосопротивления является разность токов в темноте и на свету, отнесенная к величине светового потока, падающего на фотосопротивление.

Отметим, что чувствительность фотосопротивления во много раз выше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Основными характеристиками фотосопротивления являются:

• спектральная, которая характеризует чувствительность фотосопротивления при действии на него излучения определенной длины волны;

• световая, которая характеризует чувствительность фотосопротивления в зависимости от величины падающего на него светового потока.

Благодаря высокой чувствительности через фотосопротивления

могут проходить сравнительно большие токи. Величина допустимой «мощности рассеяния» характеризует эту возможность фотосопротивлений.

К недостаткам фотосопротивлений следует отнести их инерционность, которая заключается в том, что при освещении фототок достигает не сразу своего конечного значения; при прекращении освещения ток достигает своего первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. К недостатку фотосопротивлений следует также отнести зависимость их сопротивления от температуры окружающей среды и повышенной влажности.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом могут работать, в отличии от предыдущих фотоэлементов, без источника питания, так как под действием света они сами превращаются в источники тока.

Схема вентильного фотоэлемента представлена на рис. 40.

Рис. 32 Схема вентильного фотоэлемента

На опорный металлический электрод 5 наносится слой полупроводника 4, на который осаждается полупрозрачная пленка золота 2. Между золотой пленкой 2 и полупроводником 4 создается запирающий слой 3. Поверх золотой пленки 2 накладывается защитный слой прозрачного лака. С внешней цепью фотоэлемент соединяется при помощи контактного металлического кольца 1, накладываемого на золотую пленку 2.

Световой поток, направляемый на фотоэлемент, проходит через золотую пленку и поглощается в полупроводнике; лучистая энергия освобождает в чувствительном слое 4 электроны, которые диффундируя в золотой электрод, заряжают его отрицательно, а чувствительный слой 4 -положительно. При замыкании электродов фотоэлемента на внешнее сопротивление возникает ток, величина которого (если цепь замкнута накоротко) пропорциональна освещенности.

Чувствительность вентильных фотоэлементов довольно высока и во многих случаях позволяет обойтись без усиления фототоков.

При увеличении внешнего сопротивления нагрузки в цепи вентильного фотоэлемента чувствительность его падает. Инерционность вентильных фотоэлементов сравнительно велика, так как система электродов, разделенных тончайшим запирающим слоем, образует значительную емкость.