Фотоелектричні датчики

У фотоелектричних датчиках використовуються 3 види фотоефекту (під фотоефектом розуміється явище зміни властивостей речовини при зміні його освітленості):

• зовнішній фотоефект, який полягає в тому, що під впливом світлової енергії відбувається виліт електронів (емісія) з катода електронної лампи- величина струму емісії залежить від освітленості катода;
• внутрішній фотоефект, який полягає в тому, що активний опір (електропровідність) напівпровідника залежить від його освітленості;
• вентильний фотоефект, що полягає в тому, що між шарами освітлюється провідника і не освітлюються напівпровідника, розділених тонким ізоляційним шаром, виникає електрорушійна сила, величина якої залежить від освітленості.

Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом являють собою вакуумну або газонаповнені лампу з катодом з фоточутливого шару.

На рис. 1 приведена схема зєднання фотоелемента з анодної батареєю. анод А і катод До фотоелемента Ф укладені в скляний балон, з якого відкачано повітря (у вакуумних фотоелементів) або який після відкачування повітря наповнений розрідженим газом - аргоном (у газонаповнених фотоелементів).

Коли світловий потік падає на катод, покритий активним шаром, частина променевої енергії, що поглинається катодом, повідомляються електрони і електрони вилітають з катода. Це явище називається фотоелектронній емісією. Щоб використовувати цю емісію, між анодом і фотокатодом створюється електричне поле, що спрямовує електрони до позитивно зарядженого анода. Коли дія світла припиняється, ток в фотоелементі зникає.

До промислових типів фотоелементів із зовнішнім фотоефектом належать фотоелементи типу ЦГ (киснево-цезієвого газонаповнений), типу СЦВ (сурьмяно-цезієвий вакуумний).

Робота фотоелементів визначається їх характеристиками. Розглянемо деякі з них. Лінія, що зображає залежність фотоструму фотоелемента від напруги на аноді, називається вольт-амперної характеристикою.

Світловий характеристикою фотоелемента називається залежність фотоструму від світлового потоку, що падає на фотокатод.

Світлова характеристика визначає чутливість фотоелемента. Чутливість фотоелемента є ставлення величини фотоструму в мікроамперах до величини світлового потоку в люменах, що викликав цей струм. Фотоелемент реагує на інтенсивність світлового потоку і його частоту, тому чутливість його розділяється на інтегральну (за інтенсивністю) і спектральну (по частоті).

Інтегральною чутливістю фотоелемента називається величина струму фотоелектронній емісії, створюваного в фотоелементі всім світловим потоком (від ультрафіолетових до інфрачервоних променів включно).

Спектральна чутливість фотоелемента характеризує його здатність реагувати на світлові коливання однієї частоти (т. Е. Певної довжини хвилі).

У вакуумних фотоелементах анодний струм обумовлений тільки електронами, що вилітають з фотокатода, і світлова характеристика такого фотоелемента лінійна (прямі 1 і 2 на рис. 2 а). У газонаповнених фотоелементах струм створюється не тільки електронами, що вилетіли з катода, але також електронами і іонами, що виходять в результаті іонізації газу, цим пояснюється нелінійність їх світлових характеристик (криві 3 і 4 на рис. 2 а).

На рис. 2 а фототокI виражений в мікроамперах, а світловий потік Ф - в люменах.

У газонаповнених фотоелементах наявні молекули газу створюють можливість використовувати іонізацію для збільшення фотоструму, що наочно видно з порівняння вольтамперних характеристик (рис. 2 б), газонаповненого фотоелемента (крива2) і вакуумного (крива 1).

Чутливість газонаповненого фотоелемента більше чутливості вакуумного фотоелемента. Наприклад, при номінальному робочій напрузі 240 В інтегральна чутливість вакуумного фотоелемента типу СЦВ-4 становить 100 мкА / лм, а газонаповненого фотоелемента типу ЦГ-4 - 200 мкА / лм.

Використання фотоелементів в схемах автоматики вимагає застосування підсилювачів з дуже великим коефіцієнтом посилення. Фотоелементи з внутрішнім фотоефектом (фотосопротивления). Явище внутрішнього фотоефекту полягає в тому, що в результаті поглинання світла в напівпровіднику зявляються додаткові вільні електрони, завдяки чому провідність речовини збільшується, а опір його зменшується.

Фотосопротівленіе (рис. 3) складається з світлочутливого шару напівпровідника Iтовщиною близько 1 мкм, нанесеного на скляну або кварцову пластинку 2. На поверхні напівпровідника укріплені струмознімальних електроди 3 (Зазвичай золоті). Чутливий до світла елемент з струмознімальних електродами монтується в пластмасовому корпусі так, щоб виступаючі електроди забезпечили включення фотосопротивления в схему через спеціальну панель. На рис. 3 б наведено зовнішній вигляд і дані габарити фотосопротивления типу ФС-К1.

Випускаються промисловістю фотосопротивления мають такі типові позначення: за буквами ФС, що позначають фотосопротівленіе, стоять літери і цифри, які мають відношення до складу матеріалу і до конструкції фотосопротивления. Так, фотосопротивления з сірчистого свинцю, крім букв ФС, мають позначення А, з сірчистого вісмуту - Б, з сірчистого кадмію - К.

Робота фотосопротивления полягає в тому, що при висвітленні електричний опір різко падає і, отже, струм в електричному ланцюзі, в яку включено фотосопротівленіе, зростає. Струм через фотосопротівленіе, включене в ланцюг, проходить і в темряві, але при висвітленні величина струму різко зростає. Мірою чутливості фотосопротивления є різниця струмів в темряві і на світлі, віднесена до величини світлового потоку, що падає на фотосопротівленіе.

Слід підкреслити, що чутливість фотосопротивлений у багато разів більше чутливості фотоелементів із зовнішнім фотоефектом. Інтегральна чутливість деяких фотосопротивлений, наприклад ФС-КМ2, при найбільшому допустимому напрузі складає 3000-10000 мкА / лм.

Основними характеристиками фотосопротивления є: спектральна, яка характеризує чутливість фотосопротивления при дії на нього випромінювання певної довжини хвилі- світлова, яка характеризує чутливість фотосовентільних фотоелементів порівняно велика, так як система електродів, розділених найтоншим замикаючим шаром, утворює значну ємність.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!