5. Принцип действия фотоэлектрических и емкостных преобразователей.

1. Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь.

Фотоэлектрические преобразователи или, как мы будем их называть в дальнейшем, фотоэлементы делятся на три типа: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Они представляют собой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные баллоны, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий катод. При освещении фотокатод под влиянием фотонов света имитирует электроны. Если между анодом и катодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток. При изменении освещенности фотоэлемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответственно фототок в этой цепи.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы).

Они представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, например из селенида кадмия, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Внутренний фотоэффект заключается в появлении свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атомов, остающихся свободными внутри вещества. Появление свободных электронов в материале, например в полупроводнике, эквивалентно уменьшению электрического сопротивления.

Внутренний фотоэффект наиболее сильно выражен у таких полупроводников, как селен Se, сернистый свинец PbS, сернистый кадмий CdS, селенид кадмия CdSe и др.

Фотогальванические преобразователи (фотодиоды и фототранзисторы). Данные преобразователи представляют собой активные светочувствительные полупроводники, создающие при поглощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое свободные электроны и ЭДС.

Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах — фотодиодном и генераторном (вентильном). Фототранзистор —- полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большим числом р — n-переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока. Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические.

2. Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется под действием измеряемой неэлектрической величины.

В качестве емкостного преобразователя широко используют плоский конденсатор, емкость которого можно выразить формулой

C = e0eS/δ, (7.1)

где e0 — диэлектрическая постоянная воздуха (е0= 8,85·1012 Ф/м;

e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора;

S — площадь обкладки;

δ — расстояние между обкладками.

Применение: емкостный уровнемер, толщиномер, измерители силы и перемещений, измеритель угла поворота.