4.2.11. Фотоелектричні перетворювачі

Принцип дії й основні типи перетворювачів. Фотоелектричний перетворювач являє собою фотоелектронний прилад (фотоелемент), використовуваний як вимірювальний перетворювач. Є три типи перетворювачів: перетворювачі із зовнішнім фотоефектом, із внутрішнім фотоефектом і фотогальванічні перетворювачі. Найбільше застосування знайшли перетворювачі двох останніх типів.

До перетворювачів із зовнішнім фотоефектом відносяться вакуумні й газонаповнені фотоелементи й фотоелектронні помножувачі

Вакуумні фотоелементи складаються з вакуумованої скляної колби, що містить два електроди: анод і катод. При освітленні фотокатода фотонами світла він емітує електрони. Якщо між анодом і фотокатодом прикладена напруга, то ці електрони утворять електричний струм; оскільки він викликаний фотонами, його називають фотострумом. Для фотоемісії електронів необхідно, щоб енергія фотона Е = hν , де v — частота світла; h — постійна Планка, була більше роботи виходу електронів Ф, характерної для даного матеріалу фотокатода. Частота ν_гр= Ф/hназивається червоною границею фотоефекта, а відповідна їй довжина хвилі_гр = c/ν_гр, де с - швидкість світла,_гр- -довгохвильовим порогом фотоефекта. Якщо>_гр, то ніяка інтенсивність світла не може викликати фотоефект.

Газонаповнений фотоелемент аналогічний вакуумному, але має певне газове заповнення. Завдяки іонізації газу відбувається посилення струму фотоемісії. Чутливість газонаповнених фотоелектричних перетворювачів вище, ніж у вакуумних.

Фотоелектронний помножувач (ФЕП) -це вакуумний фотоелемент, з системою електродів для посилення струму фотоемісії. Принципова схема ФЕП показана на мал. 4.45. Світло падає на фотокатод ФК, що емітує електрони. Потік електронів фокусується електричним полем, створюваним електродом Э, формується діафрагмою Д и направляється на прискорювальний електрод— динод Э₁. Напруга на диноді така, щоб енергії фотоелектрона було достатньо для вторинної емісії електронів. Режим роботи такий, що при вторинній емісії випускається більше електронів, чим падає на динод. Так відбувається посилення потоку електронів. Потік електронів, посилений динодом Э₁, направляється на наступні диноди Э₂— Э₅, підсилюється й збирається анодом А. Анодний струм ФЕП досить малий і вимагає додаткового посилення. Для цього він перетворююється в напругу за допомогою опоруR_нЖивлення ФЕП здійснюється за допомогою дільника напруги R₁- R₈-Фотоелектронні помножувачі мають високу чутливість і

використаються для виміру дуже малих світлових потоків (до 10^-5 лк).

Чутливий елемент перетворювачів із внутрішнім фотоефектом (фоторезисторів) виконаний у вигляді пластинки, на яку нанесений шар напівпровідникового фоточутливого матеріалу. Як фоточутливий матеріал звичайно використається сірчистий кадмій, селенистий кадмій або сірчистий свинець.

Електропровідність напівпровідникових матеріалів обумовлена збудженням електронів у валентній зоні й домішкових рівнях. При збудженні електрони переходять у зону провідності; у валентній зоні з'являються дірки. При освітленні збудження електронів збільшується, що викликає збільшення електропровідності. Червона границя фоторезисторів перебуває в інфрачервоній області, наприклад, для сірчасто-свинцевих _Гр= 2,7 мкм. При невеликих освітленостях перетворювача число збуджених світлом електронів пропорційно освітленості, його електрична провідність

де І_ф - фотострум; U - напруга, прикладена до перетворювача, також пропорційна освітленості.

При великих освітленостях пропорційність порушується. Типова залежність фотоструму від освітленості наведена на мал. 4.46,а. Чутливість фоторезисторів визначається кратністю зміни їхнього опору. Для деяких типів вона досягає значення

де R_T— темновий опір, тобто опір неосвітленого перетворювача;R₂₀₀— опір при Е = 200 лк. ВАХ фоторезисторів лsнsйна (мал. 4.46,6), тобто їхній опір не залежить від

прикладеної напруги. Інерційність характеризується постійною часу . У сернисто-кадмієвих перетворювачівлежить у межах 1-140 мс, у селенисто-кадмієвих - 0,5-20 мс.

Фоторезистори мають високу чутливість. Однак їхній опір залежить від температури подібно опору термисторів. Для зменшення температурної погрішності вони включаються в суміжні плечі мосту.

Фотогальванічні перетворювачі являють собою фотоелектронні прилади з р-n-переходом: фотодіоди й фототранзистори. При освітленні переходу створюється додаткова концентрація носіїв вn-шарі. Це приводить до посилення їх дифузії до р-n-переходу і у самому переході. У діода, підключеного до запираючої напруги (мал. 4.47,а), під дією світла зростає зворотний струм. Вольт-амперна характеристика германієвого фотодіода наведена на мал. 4.47,6. При відсутності освітлення вона не відрізняється від характеристики звичайного діода, а при висвітленні зміщається нагору пропорційно величині світлового потоку.

Найпоширеніші германієві й кремнієві фотодіоди. Їхні спектральні характеристики заходять в область інфрачервоного випромінювання (для германієвих фотодіодів до _Гр= 2 мкм, для кремнієвих до_гр= 1,1 мкм).

Фотодиоды можуть працювати у фотодіодному і генераторному (вентильному) режимах. У фотодіодному режимі перетворювач підключають до запираючої напруги (мал. 4.47,а). При збільшенні його освітленості зростає зворотний струм, що приводить до збільшення напруги U_Hна опорі RH. Напруга U_H- і чутливість можна визначити по ВАХ і навантажувальній прямій (мал. 4.47,6). Залежність струму фотодіода від освітленості практично лінійна. Внутрішній диференціальний опір фотодіода має величину порядку мегаомів, тому звичайно вони працюють у режимі, близькому до короткого замикання.

Повний струм фотодіода Іможна розглядати як суму

де І_ф— фотострум, обумовлений світловим потоком Ф; S — чутливість.

Значення темнового струму Іт сильно залежить від температури. Фотодіоди — малоінерційні перетворювачі. Їхня постійна часу має порядок 10^-7– 10^-8с.

У генераторному режимі фотодіод включають за схемою, наведеній на мал. 4.48, а, і він сам є джерелом струму. Фотострум, напруга на навантаженні R_Ні чутливість можна визначити по ВАХ, наведеній на мал. 4.48, б.

Особливості застосування фотоелектричних перетворювачів для вимірювання несвітлових величин. Фотоелектричні перетворювачі, які використовуються для виміру несвітлових величин, мають ряд особливостей. Є можливість вимірювання без контакту з об'єктом виміру, відсутнє механічний вплив на об'єкт виміру. Перетворювачі чутливі до сили світла і його кольору. Їхнім недоліком є велика похибка, що в основному визначається усталеністю, старінням і залежністю параметрів перетворювача від температури. Внаслідок цих особливостей фотоелектричні перетворювачі знайшли застосування в основному в наступних випадках.

1. При вимірюваннях, у яких перетворювач працює в релейному режимі. Прикладом може служити вимірювання частоти обертання вала, що має диск із отворами. Диск перериває промінь світла, падаючий на фотоелектричний перетворювач. Вимірювана швидкість перетвориться в частоту електричних імпульсів.

2. В якості прямого перетворювача у компенсаційних вимірювальних приладах.

З.При вимірюванні несвітлових величин, коли проміжною величиною перетворення є величина світлова, наприклад, при вимірюванні концентрації речовини в розчині, коли проміжною величиною є зміна поглинання світла розчином..

Для зменшення погрішності виміру фотоелектричні перетворювачі включаються в диференціальні або компенсаційні вимірювальні ланцюги. Диференціальна схема із двома фотоелектричними перетворювачами, що служить для виміру концентрації розчину, наведена на мал. 4.49. Перший промінь світла від джерела 1 проходить через об'єкт, виміру 2, наприклад через кювету з досліджуваним розчином, і попадає на фоторезистор 3. Другий промінь проходить через застосовуваний для настроювання приладу оптичний клин 4 і попадає на другий фоторезистор 5. Фоторезистори включені в мостовий ланцюг. Завдяки диференціальній схемі компенсуються температурні й інші адитивні погрішності. Однак внаслідок розкиду характеристик і параметрів фотоелектричних перетворювачів канали диференціального ланцюга трохи відрізняються один від одного, і компенсація виходить неповною. Достоїнством схеми є її придатність для виміру швидкозмінних величин. Інерційність приладу обумовлюється інерційністю фотоелектричних перетворювачів і вихідного приладу.

Меншу погрішність мають диференціальні схеми з одним фотоелектричним перетворювачем (мал. 4.50,а). За цією схемою промені світла з одного й іншого каналів поперемінно освітлюють фотоелектричний перетворювач 1. Комутація здійснюється за допомогою диска 2, що має отвори й обертається з постійною швидкістю за допомогою синхронного двигуна СД. Світловий потік, що падає на фотоелектричний перетворювач, модульований і змінюється в часі, як показано на мал. 4.50,6. Змінна складова світлового потоку

де Фп - світловий потік, що пройшов через об'єкт виміру 3; Ф₀- зразковий світловий потік, що пройшов через оптичний клин 4.

Змінна складова світлового потоку перетвориться в змінну напругу й підсилюється. У розглянутому приладі обидва канали диференціального вимірювального ланцюга розрізняються менше, ніж у попередньому, і краще компенсуються адитивні погрішності.

Внаслідок модуляції світлового променя зменшується частотний діапазон приладу, збільшується його інерційність. При такому способі вимірювання вимірюваний частотний діапазон обмежується частотою модуляції, причому верхня частота діапазону повинна бути на порядок менше частоти модуляції. Як оптичний модулятор звичайно застосовується електромеханічний пристрій. Його використання ускладнює прилад і зменшує надійність.

Диференціальні оптичні прилади можуть використовуватися як прилади з ручною компенсацією. У цьому випадку оптичний клин з'єднується зі стрілкою, що переміщається по шкалі приладу. При вимірюванні оптичний клин переміщається доти, поки вихідна напруга (U_ВЫХна мал. 4.49) і змінна складова напруги (Uвых на рис 450,а) не будуть рівні нулю. При цьому вимірювальний й зразковий світлові потоки рівні між собою, і по положенню оптичного клина можна судити про значення вимірюваної величини.

У приладах з автоматичною компенсацією напруга, пропорційна різниці світлових потоків ΔФ, подається на реверсивний двигун, що автоматично переміщає оптичний клин у потрібну сторону.