8.1.5. Фотодатчики

Фотодатчики строятся на основе фотоэлектрических измерительных преобразователей – фоторезисторов, фотодиодов, и источников света на ос­нове ламп накаливания и светодиодов (С и Д) фототранзисторов и фототеристо­ров.

В фоторезисторах используются явления фотопроводимости, т. е. из­менение электропроводности вещества под воздействием электромагнит­ного излучения; изготовляются они на основе полупроводниковых материа­лов, обладающих как собственной, так и примесной фотопроводимостью.

К первой группе относятся фоторезисторы на основе соединений свинца (РbSе, РbS, РbТе) и индия (InSb, InAS). Ко второй группе относятся фоторези­сторы на основе германия и кремния, лигированных примесями различ­ных элементов: золота, сурьмы, свинца, ртути, бора, кадмия, меди и др. В последнее время фоторезисторы стали разрабатывать также на основе трой­ных твердых растворов. Отличительной особенностью этих фоторезисто­ров является изменение спектральной чувствительности в широ­ких пределах.

Основными недостатками фоторезисторов являются высокая инерцион­ность и сильная зависимость параметров от температуры. В общем слу­чае практически все фоторезисторы обладают нелинейной люкс-амперной ха­рактеристикой, которую упрощенно можно представить в виде

, (8.12)

где I_ф – фототок; с – постоянная, определяемая свойствами материала; U – напряжение, приложенное к фоторезистору; Ф – поток излучения, падаю­щий на светочувствительную поверхность фоторезистора; ,  - коэффици­енты нелинейности.

Фотодиоды, в отличие от фоторезисторов, представляют собой пла­стину полупроводникового материала, внутри которой имеются области элек­тронной (n – область) и дырочной (р – область) проводимостей, разделен­ные р – n переходами. У фотодиодов различают два режима работы: фотодиодный и фотогенераторный. При засветке фотодиода в фотодиодном ре­жиме ток неосновных носителей возрастает, причем прирост этого тока значи­тельно превосходит прирост тока основных носителей, т. е. отношение све­тового тока к темновому у фотодиодов намного превышает то же отноше­ние у фоторезистора. Полный ток через фотодиод при обратном смешении

, (8.13)

где I_ф – фототок; I_s – обратный ток через р – n переход; U – напряжение на фотодиоде; D – коэффициент; I_ф=SФ; S– интегральная токовая чувствитель­ность фотодиода.

В фотогенераторном режиме, т. е. без внешнего источника питания, роль р – n перехода сводится в основном к разделению пар носителей заряда (элек­тронов и дырок), возникающих под действием света, в результате кото­рого фотодиод вырабатывает фотоЭДС. В режиме холостого хода напряже­ние на фотогенераторе пропорционально логарифму от светового по­тока

. (8.14)

Следует отметить, что инерционность фотодиода в режиме фотогенера­тора намного выше, чем в фотодиодном режиме. Спектральная характери­стика фотодиода определяется материалом, на основе которого он изготовлен. Большинство фотодиодов изготовляется из германия и кремния. Спектральная ха­рактеристика кремниевых фотодиодов имеет максимум в области 0,8 – 0,9 мкм. У германиевых фотодиодов максимум смещен до 1,2 мкм.

Фототранзисторы обладают свойством усиления фототока. Конструк­тивно фототранзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя чередующимися областями электронной и дырочной проводимостей, снаб­женными выводами для включения в схему, причем базовая область дос­тупна для воздействия на нее светом.

Выпускаемые полупроводниковые светодиоды работают в широком спектре длин волн ( , температурном диапазоне (-40 – +60 ^оС) с необходимыми конструктивными параметрами и диаграммами направленно­сти излучения, позволяют строить бесконтактные устройства индика­ции положения перемещающихся объектов, датчики давления, частоты вращения.

Такие преимущества СИД, как быстродействие, значительная моно­хроматичность спектральных характеристик, малые габариты, высокая надеж­ность, 100%-ная модуляция светового потока посредством тока, протекаю­щего через СИД, и другие, позволяют разрабатывать различные устрой­ства для контроля и измерения параметров широкого класса веществ и ма­териалов.

Оптоэлектронные устройства можно классифицировать по следующим основным признакам, лежащим в основе принципа построения этих уст­ройств: виду измеряемой физической величины; числу используемых участ­ков спектра или СИД с различными длинами волн спектральных характери­стик; числу используемых кювет или СИД, излучающих на одной длине волны (каналы); способу преобразования измеряемого параметра в фотоэлектри­ческий сигнал; способу обработки фотоэлектрического сигнала.

По виду измеряемой физической величины оптоэлектронные измеритель­ные устройства (ОИУ) подразделяются на фотометры и анализа­торы состава веществ и материалов.

По числу используемых участков спектра ОИУ подразделяются на одно­волновые, двухволновые и многоволновые, а по числу каналов (числу ис­пользуемых кювет или СИД, излучающих на одной длине волны) – на однока­нальные, двухканальные и многоканальные устройства.

Понятия «волна» и «канал» очень важны для структурного анализа, поэтому для различения этих понятий введем обозначения: В – волна, К – канал, М – многоканальный, многоволновый, а цифрами перед буквами обозначим число длин волн и каналов. Например: 2В1К – двухволновая одноканальная структурная схема.

На рис. 8.9 приведены основные (базовые) структурные схемы уст­ройств на СИД согласно приведенной классификации. Математические мо­дели этих схем составлены согласно основному закону фотометрии – закону Бу­гера – Бера, где ИП – источник питания СИД; СИД – светоизлучающий диод; ФП – фотоприемник; БОФС – блок обработки фотоэлектрического сиг­нала; РП – регистрирующий прибор; Ф_о1 и Ф_о2 – потоки излучения на опор­ной и измерительной длинах волн, излучаемых СИД, I₁, I₂ – токи светоизлучаю­щих диодов; Ф₁ и Ф₂ – потоки, прошедшие через контролируемый объект (КО) и эталонный объект (ЭО); К₁, К₂ , К₃ и К₄ – коэффициенты; m₁ – неинформированный параметр контролируе­мого объекта (масса, плотность и т. п.); m₂ – значение контролируе­мого параметра.

Оптроны – полупроводниковые приборы, содержащие оптически свя­занные источник и приемник излучения в общем герметичном корпусе с закры­тм или открытым оптическим каналом. В качестве элементов оптиче­ской пары (оптопары) могут быть использованы полупроводниковые излуча­тели и приемники света. Изменение входного (управляющего) тока I_упр че­рез светодиод сопровождается изменением яркости его свечения и, следова­тельно, изменением освещенности приемника света, а поэтому изменя­ется ток в выходной цепи оптрона (I_вых).

В качестве приемника света в оптронах применяют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и фотосимисторы. В соответст­вии с названием фотоприемника находится название схемы (рис. 8.10) и маркировка оптопар: резисторная (а), диодная (б), транзисторная (в), тиристор­ная (г) и симисторная (д).

Рис. 8.9. Основные (базовые) структурные схемы устройств на СИД

Рис.8.10. Условное графическое обозначение фоторезистивного (а), диодного (б),

транзисторного (в), тиристорного (г), симисторного (д) оптронов.

Оптроны, кроме возможности усиливать электрический сигнал по мощности, напряжению и току, осуществляют гальваническую развязку входа от выхода, т. е. электрически изолируют все части электрической схемы друг от друга. Указанные возможности оптронов рассмотрим на при­мере схемы симисторного регулятора напряжения с гальванической развязкой его силовой цепи от цепи управления с помощью оптосимистора типа 5П50 или его аналога МОС3021.

Оптрон 5П50 имеет входной ток в пределах от 8 до 25 мА, входное на­пряжение 2 – 4 В, ток коммутации в импульсе до 1 А при напряжении коммута­ции до 400 В. Следовательно, коэффициент усиления по мощности мо­жет достигать 80000. Минимальное напряжение изоляции входа от выхода 1500 В. Такие свойства оптронов обеспечивают широкое применение их в схе­мах электропривода и энергоснабжения с микропроцессорным управлением. Коммутацию тока в нагрузке осуществляет симистор. Лучшие симисторы регу­лируют ток нагрузки до 80 А при напряжении до 800 В. Если требуется регу­лировать больший ток и напряжение, то используют тиристоры со схемой управления на оптронах.

Выпускаются тиристоры со встроенной в корпус оптопарой. Например, у тиристорных модулей МТОТО 60-80 в одном корпусе два встречно-параллельно включенных тиристора и два оптрона. Модуль обеспечи­вает регулировку тока до 80 А при напряжении 600 В.