книги из ГПНТБ / Тиходеев П.М. Световые измерения в светотехнике (фотометрия)

Фотоэлементы, конечно, могут иметь разную площадь приемной поверхности; в практике встречаются с площадью от 1 см2 и до 50 см2; наиболее распространены в 10 см2 и в 25 см2. Обыкновенно они делаются круглыми, ио возможны и другие очертания.

Способы изготовления (например, в смысле температур при обра­ ботке слоя селена), степень чистоты исходных веществ, выбор металла для электрода, толщины слоев могут несколько различаться, что отражается на свойствах фотоэлементов более или менее заметным образом. Вместе с тем фотоэлементы изготовляются одновременно в малых количествах, с малой долей автоматизации или регулирова-

Рис. 85. 3. Относительная спектральная чувствительность, средняя для 8 селеновых фотоэлементов ЛИКИ (SjJ и относительная видность (V}). Спектральные коэффи­ циенты пропускания света растворов, применяемых для исправляющих поглоти­ телей (см. п. 90):

1 — СиСЦ-гН.О ( О . З М ) ; 2 — Co SO* (NH4),S 04-6H ,0 ( 0 . 0 5 М ) ; 3 — KiCr.Oj ( 0 . 0 0 2 5 М ) ; тол-

щнна слоя — 1 см; отражение света от поверхностей стеклянных сосудов не учтено.

ния производства. Поэтому даже у одного и того же изготовителя селеновые фотоэлементы несколько отличаются друг от друга, так что, например, подобрать два одинаковых, как это нужно при диффе­ ренциальном включении или в мостовом соединении (п. 86) не столь легко. Возможность некоторой разницы в свойствах селеновых фото­ элементов следует иметь в виду при дальнейшем описании свойств.

С п е к т р а л ь н а я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь . Селеновые фотоэлементы имеют относительную спектральную чувствительность, которая более близка к относительной видности глаза по сравнению с другими известными фотоэлементами. Ее гораздо легче, чем у дру­ гих фотоэлементов, подогнать с помощью выравнивающих поглоти­ телей к относительной видности; в этом главное достоинство селено­ вых фотоэлементов. Вместе с тем и количественное значение чувстви­ тельности также больше, чем у других фотоэлементов. На рис. 85. 3 показано относительное значение электрического тока при освещении, излучением разных длин волн, ио одинаковой мощности. Для срав­ нения приведена относительная видность.Следует обратить внимание,

201

что некоторая чувствительность распространяется за пределы види­ мой области спектра в обе стороны. Наибольшая чувствительность наблюдается при длине волны света около 590 нм. Получить точное значение спектральной чувствительности для данного фотоэлемента

ния. От нее мощность излучения в спектре в области длин воли 450 нм и менее незначительна и показания термостолбика малы, а сле­ довательно, ограничены невысокой точностью. Что же касается изме­ рений тока, то его значение при данных измерениях меняется в широ­ ких пределах, хотя и малых по количественному значению, ио таких, при которых обыкновенно уже не строго соблюдается пропорцио­ нальность между током и освещенностью. В коротковолновой части спектра освещенность мала и фотоэлементы работают неустойчиво. Отмечено некоторое изменение спектральной чувствительности при разных внешних сопротивлениях и разных освещенностях. При этом поправки вводить затруднительно (см. п. 86).

Вдобавок из-за утомляемости селеновых фотоэлементов, притом различной в разных областях спектра и некоторой зависимости пока­ заний при данной длине волны от предшествующего освещения с другой длиной волны, возникают новые, едва ли полностью устра­ нимые погрешности и неопределенности измерений. Поэтому счи­ тается, что спектральная чувствительность селеновых фотоэлементов измеряется с неопределенной степенью неточности; но все же погреш­ ность на краях спектра едва ли превышает ± 15-f-20%, а то н меньше, в условиях, в которых стремятся к уменьшению погрешностей. Приблизительно такого же порядка и расхождения у отдельных фотоэлементов, изготовленных одинаковым способом. Спектральная чувствительность различается, главным образом в сине-фиолетовой

их в пределах до ±9% .

Спектральная чувствительность в отдельных точках поверхности данного фотоэлемента обыкновенно одинакова, в пределах точности

чувствительные фотоэлементы более устойчивы по показаниям и мед­ леннее теряют чувствительность на протяжении длительной службы (см. ниже).

При освещенности в 200 лк электродвижущая сила у фотоэлемен­ тов составляет около 0,28 в. Общая чувствительность'по отдельным точкам поверхности данного фотоэлемента обыкновенно в значитель­ ной степени разнится.

202

З а в и с и м о с т ь п о к а з а н и й о т о с в е щ е н н о с т и .

Желательным свойством каждого приемника световой энергии счи­ тают прямую пропорциональность между падающим световым пото­ ком или, что равносильно при неизменной площади приемника, между освещенностью Е и измеряемым действием его на приемник. В селеновом фотоэлементе под влиянием света возникает электро­ движущая сила е. Она — при разомкнутой внешней цепи — сле­ дует приблизительно такому выражению:

е = V lg Е,

где — коэффициент пропорциональности.

О сдещ ет о с т S л ю к с а х

Рис. 85. 4. Зависимость чувствительности от освещенности у нескольких селеновых фотоэлементов.

Внутреннее сопротивление фотоэлемента, составляющее около 200—600 ком при неосвещенном фотоэлементе, уменьшается с увели­ чением освещенности. У фотоэлементов ЛИКИ с площадью в 10 см2 оно составляет 100—300 ком при освещенности в 1 лк.

Если внешнее сопротивление цепи фотоэлемента очень мало, например, — 0-f-10 ом, то сила тока i во внешней цепи у короткозамкнутого фотоэлемента оказывается прямо пропорциональной (k2) освещенности, но лишь в некоторых пределах ее:

i — /г., - Е .

Отступления от пропорциональности наблюдаются при очень малых освещенностях, например, менее 1—2 лк (рис. 85.4), при кото­ рых фотоэлементы обыкновенно неустойчивы, и при значительных

203

опыте для фотоэлементов одного и того же изготовления были най­ дены такие значения: 0,0006; 0,0003 и 0,005; в литературе встречаются значения от +0,03 до —0,001. ЛИКИ для своих фотоэлементов ука­ зывает 0,0006 па 1° в пределах от 15 до 50° С для тока; для электро­

от способа изготовления,причем возможно и искусственное старение), чувствительность селеновых фотоэлементов падает, например, на 20— 30%. Это и называется старением. В дальнейшем у многих фотоэле­ ментов она также падает, но гораздо медленнее. Встречались случаи, в которых чувствительность уменьшается и при бережном хра­ нении.

По данным ЛИКИ, для нескольких фотоэлементов их изготовле­ ния через 1—1,5 года чувствительность падает в среднем на 6%, причем электродвижущая сила падает на 20%.

Замечено, что более чувствительные фотоэлементы стареют силь­ нее и скорее. Ускоренное старение производят обыкновенно при сильном естественном освещении и при коротком замыкании, пока не наступит постоянство показаний.

Утомлением называют изменение свойств, например, уменьшение чувствительности под влиянием предшествующего освещения. Оно тем отличается от старения, что после отдыха в темноте свойства фотоэле­ мента восстанавливаются. Утомление и его действие отличается большой н е о п р е д е л е н н о с т ь ю , так что предсказать чтолибо наперед в смысле его влияния на показания фотоэлемента очень трудно. При этом опять-таки поведение каждого фотоэлемента даже и от одного изготовителя оказывается своеобразным. Утомление является едва ли не самым несовершенным свойством селеновых фотоэлементов, сильно ограничивающим и способы употребления их и области применения.

Причины утомления и способы борьбы еще не изучены. Известно лишь, что можно отобрать фотоэлементы с меньшей степенью утом­ ляемости: имеются образцы, у которых утомление сказывается

впределах лишь 1—3%, если они подвергаются освещенности в гра­ ницах примерно 5—100 лк. По-видимому, при необходимости иметь более устойчивый фотоэлемент, не следует освещать его сильнее 10 лк.

Утомление проявляется различно. Пусть взят фотоэлемент после длительного хранения в темноте. Будучи освещен постоянной осве­ щенностью, он не сразу придет в установившееся состояние. И в этом отношении каждый фотоэлемент ведет себя по-своему. Фотоэлементы более хорошего качества через 2—3 мин могут дать показание, т. е. силу тока, которое затем или не меняется, или изменится, чаще всего

всторону увеличения, еще в течение немногих минут, например, всего лишь на 1%. У некоторых фотоэлементов ток, установившийся к концу первой минуты, затем уменьшается через 1—2 мин,на 1—2%. Обыкновенно при малых освещенностях, например, до 10 лк, ток

205

устанавливается медленнее, чем при больших. Фотоэлементы встре­ чаются н с гораздо большим утомлением, например, в 5—10% при таком же испытании.

Другой вид проявления утомления сказывается так. Пусть фото­ элемент после длительного отдыха поверяется на зависимость тока от освещенности. Пусть это делается при увеличении освещенности, например, от 3 до 300 лк, а затем повторно при убывании освещен­ ности. Обыкновенно при уменьшающейся освещенности сила тока оказывается меньшей, т. е. чувствительность фотоэлемента умень­ шается, если он перед этим подвергался большей освещенности. Разница показаний в описанном опыте может дойти при 3 лк до 15%, причем постепенно ток будет возрастать, если нижний предел осве­ щенности не меняется. Если такой же опыт произвести, помещая перед фотоэлементом по очереди синее, зеленое и красное стекло, то при уменьшении освещенности во второй части опыта показания, т. е. ток, оказываются немного увеличенными при синем стекле, почти без изменений при зеленом и заметно уменьшенными при крас­ ном.

Если фотоэлемент непосредственно перед измерениями был утом­ лен (например, освещался, будучи коротко замкнут, в течение 1 часа при освещенности, равной примерно средней для последующих изме­ рений), то показания фотоэлемента оказываются гораздо более устой­ чивыми. Замечено, что на утомление более влияет длинноволновая часть видимого спектра излучения. Полное восстановление чувстви­ тельности после сильного утомления происходит у селенового фото­ элемента через несколько часов (5—10) хранения в темноте.

Утомление сильнее сказывается при большом внешнем сопротив­ лении; можно его подобрать таким, что утомление окажется наимень­ шим. У некоторых, притом немногих, фотоэлементов одного и того же изготовления (ЛИКИ) влияние утомления протекает иначе; напри­ мер, сила тока при освещенности в 100ж в течение 15 мин становится у большинства фотоэлементов меньше, чем она была в начале при отсчете через 15 сек\ по у немногих она повышается.

Запаздывание (иначе — инерция) фотоэлемента сказывается

втом, что при мгновенной подаче света ток устанавливается не мгно­ венно, а нарастает (и, обыкновенно, спадает при быстром затемнении)

втечение немногих секунд, например, 5—10. Более медленное нара­ стание происходит при длинноволновых излучениях и при малых освещенностях. Запаздывание следует отличать от установления

тока под влиянием утомления, которое сказывается на протяжении десятков секунд, как указывалось ранее.

ЛИКИ, например, сообщал, что для его фотоэлементов наибольшее значение силы тока получается через 0,5—1 мин после освещения, затем оно немного падает и устанавливается окончательно через

10—20 мин.

206

постоянной освещенности. Это положение справедливо даже и для того случая, когда наибольшая мгновенная освещенность за время периода не превышает по количественному значению той предельной постоянной освещенности, до которой еще существует прямая пропорциональность между освещенностью и силой тока. Итак, пусть существует зависимость при постоянном освещении

L = к 2 • Е

в пределах до Еб. Пусть через вращающиеся поглотители пропу­ скается доля света, равная т, и создается таким образом прерыви­ стое освещение. Сред­ няя за период освещен­ ность Еср, вычисленная по количеству освеще­

ния Q за период Т как

Q : T = Еср,

равна:

Еср = х-Е.

На рис. 85. 6 видно, что условия освещения и, следовательно, возникновения тока могут значительно отличаться от того, что проис­ ходит при постоянном освещении. Каждая точка фотоэлемента то освещается, то находится в темноте, что показывает на рисунке сплошная линия. Между тем световой поток, получаемый фотоэле­ ментом в течение времени, может меняться иначе, в зависимости от размеров фотоэлемента, вращающихся поглотителей и источника света и еще в зависимости от их взаимного положения; на рисунке это показано для некоторого частного случая точечной линией.

В общем случае сила тока при прерывистом освещении in

in =h х ■i.

Если т не мало, например не меньше 0,2—0,5, если Е < Еб, а погло­ тители возможно более • удалены от фотоэлемента (чтобы несколько сгладить колебания светового потока, получаемого фотоэлементом), то приближенно

in ~ x - i

с погрешностью, может быть, 5—10%.

Погрешность может быть еще больше при других условиях. Вообще при селеновых фотоэлементах вращающиеся поглотители применять не следует.

207

Меняющаяся освещенность при электрических источниках, питающихся переменным током, особенно при лампах накаливания, проявляется не столь сильно, но при необходимости учитывать погрешности измерений нельзя заранее пренебрегать отмеченным обстоятельством. Так как при прерывистом освещении сказываются: условия нарастания и спадания освещенности (т. е. характер измене­ ния освещения), действительные пределы изменений освещенности за время периода (когда фотоэлемент освещается), и продолжитель­ ность периода, то учет влияния прерывистого освещения оказывается довольно осложненным. Лучше поверять селеновый фотоэлемент в условиях его действительной работы,а не при постоянном освещении.

Рис. 85. 7. Влияние наклона падения света.

/— косинус угла падения света (cos а); 2 п 3 — токи у двух селеновых фотоэлементов (случай малого влияния).

то с изменением наклона падающих лучей света и при сохранении неизменною освещенности показания фотоэлемента меняются.' При наличии поглотителей изменения, естественно, возрастают вслед­ ствие удлинения пути в толще поглотителя, увеличения отражения света от пограничных поверхностей и т. д.

Если свет поляризован, то показания фотоэлемента зависят не только от угла падения света, но и от расположения плоскости поляризации.

У многих селеновых фотоэлементов с открытой поверхностью влияние изменения наклона падения света в пределах углов 0—50° незначительно, например, не превышает 5%. Е1о при дальнейшем увеличении наклона влияние быстро растет. Как правило, при оди­ наковой освещенности электрический ток уменьшается с увеличением наклона падения (рис. 85. 7).

208

Рассматриваемое свойство (как и другие) у селеновых фотоэле­ ментов несколько разнится даже у фотоэлементов, одинаково изго­ товленных.

86.Общие правила применения селеновых фотоэлементов. К а за

лось бы можно применять такие способы измерений помощью селено­ вых фотоэлементов, в которых те или иные свойства их в смысле, например, неустойчивости или различия у отдельных изделий, устра­ няются или сильно сглаживаются. Подобные способы действительно разработаны и употребляются, особенно при точных измерениях. Тем не менее во всех случаях применения селеновых фотоэлементов каждый из них приходится испытывать сообразно последующему назначению, особенно на устойчивость. Иначе могут произойти разные неожиданности и даже ошибки при последующих измерениях.

Электрическое напряжение у селеновых фотоэлементов при отсутствии тока менее устойчиво, чем электрический ток при замыка­ нии фотоэлемента на внешнее сопротивление. На практике поэтому предпочитают измерять ток или, что все равно, напряжение у фото­ элемента, замкнутого на некоторое сопротивление, например, в прак­ тике ВНИИМ — 10 ом. Применяются также уравновешенные спо­ собы электрических измерений, при которых добиваются исчезнове­ ния тока в измерительной цепи.

Токи у селеновых фотоэлементов могут достигать при больших освещенностях значительной величины. Так, при площади в 25 см2, при освещенности 100 лк и при чувствительности в 450 мка/лм ток составит: 25• 1(Г4-102-4,5• 102 = 112,5 мка. Лишь при малых площа­ дях, при малых освещенностях и при наличии поглотителей токи становятся малыми; например, при спектральных измерениях при­ ходится применять чувствительные гальванометры. Напряжение при больших освещенностях достигает примерно 0,3 в.

Так как внутреннее сопротивление селеновых фотоэлементовневелико, то усиление токов помощью электронных ламп сопряжено со значительными трудностями и на практике обыкновенно не при­ меняется. Была предложена (Ю. П. Маслоковец, Б. Т. Коломиец и В. Е. Картащевская) селеновая фотобатарейка. Она представляет собою несколько селеновых фотоэлементов малой площади, распо­ ложенных рядом и соединенных последовательно. Общее внутреннее сопротивление их велико и усиление электронными лампами вполне возможно.

И з м е р е н и е с и л ы т о к а . В простых случаях измерений ток у селенового фотоэлемента определяется микроамперметром или гальванометром с малым сопротивлением (рис. 86. 1). При обычных поверках селеновых фотоэлементов ВНИИМ замыкает их на образ­ цовое сопротивление в 10 ом и измеряет на концах его, а следова­ тельно, тем самым и на зажимах селенового фотоэлемента, напряже­ ние помощью потенциометра (иначе — компенсатора); это дает воз­ можность вычислить и силу тока.

Чтобы улучшить условия работы селенового фотоэлемента и при­ близиться к большей устойчивости и пропорциональности, нередко идут на некоторое усложнение способа измерений, создавая

возможность измерять ток короткого замыкания. Если последователь­ но с фотоэлементом включить источник электродвижущей силы, кото­ рую можно изменять так, чтобы полностью уравнять падение напря­ жения внутри фотоэлемента, равное его внутренней электродвижущей силе, то таким путем и достигается наибольший возможный ток в фотоэлементе — ток короткого замыкания. Напряжение на зажи­ мах фотоэлемента в таком случае падает до нуля. На рис. 86. 2 пока­ зано включение приборов. При заданной освещенности перемещают движок Д реостата так, чтобы гальванометр Г не отклонялся, под­ тверждая тем отсутствие напряжения на зажимах фотоэлемента.

Микроамперметр А покажет при этом ток короткого замыкания. Можно обойтись без гальванометра, поместив вместо него (или парал­ лельно ему) замыкатель В. При токе короткого замыкания включение и выключение замыкателя не отражается на показаниях микро­ амперметра. Такое уменьшение числа приборов несколько осложняет ведение измерений.

Имея в виду воспользоваться пропорциональностью тока фотоэлемента освещенности с возможно меньшей погрешностью, предпочтительно, разумеется, иметь дело в таких случаях с неболь­ шими пределами изменений освещенности. Это приводит к необходи­ мости более точно измерять силу тока; на рис. 86. 3 указан подходя­ щий способ измерений с повышенной точностью. Пусть измерения колеблются в пределах, например, 675ч-715 делений по шкале галь­ ванометра Г; эти числа могут отвечать в каком-либо случае, напри­ мер, изменению коэффициента яркости испытуемых изделий в преде- лахО,675-н0,715. Подгонка отсчетов по шкале к соответственному зна­ чению коэффициента яркости производится каким-либо воздействием

210