Тема 3.6. Селективные фотоэлектрические датчики.

Принцип действия фотоэлектрических датчиков (фотоэлементов) осно­ван на использовании фотоэлектрического эффекта, т. е. они реагируют на изменение светового потока.

Фотоэлектрические преобразователи просты по устройству и достаточно надежны в работе. Они находят широкое применение в системах автоматики в литейных и термических цехах: для автоматического управления освещением цехов, для измерения температуры жидкого металла и нагретых деталей (фотоэлектри­ческий пирометр), определения прозрачности жидкостей или га­зов, подсчета форм и изделий, проходящих по конвейеру, для контроля пламени в топках топливных печей. Они применяются в системах защиты обслуживающего персонала от травм и т. п.

Различают следующие фотоэлектрические датчики:

фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды.

3.6.1. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом(рис.32а).

Он представляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 образован светочувстви­тельным слоем (цезий или сплав сурьмы с цезием) и нанесен на внутреннюю поверхность лампы, а анод 2 выполняется в виде кольца или пластины.

Под действием световой энергии с поверхности выбиваются электроны, образующие электрический ток (внешний фото­эффект). Промышленность выпускает фотоэлементы следующих типов: ЦГ - цезиевый газонакопленный; СЦВ - сурьмяно-цезиевый вакуумный; ЦВ - цезиевый вакуумный.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высокой чувстви­тельностью и высокой температурной стабильностью. Для них характерна линейная зависимость фототока от светового потока.

К числу недостатков рассмотренных фотоэлементов, которые ограничивают их применение в автоматических системах управления, относятся: необходимость в повы­шенном напряжении питания; хрупкость стеклянного баллона; старение и утомляемость, т.е. снижение чувствительности при сильной освещен­ности.

свет

свет

Рис. 32. Фотоэлектрические датчики: а — с внешним фотоэффектом; б—с внутренним фотоэффектом; в – вентильные.

3.6.2. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом – фоторезисторы.

Фоторезисторы - это устройства (рис.32б), имеющие светочувствительный слой однородного полупроводника (селен, сурьма и др.). Работа фоторезистора основана на изменении сопротивления полупроводникового слоя при его освещении.

Фоторезисторы(рис.32б) представляют собой стеклянную пластинку 1 с нанесенным тонким слоем селена или сернистых соединений различ­ных металлов (таллия, висмута, кадмия, свинца). К пластине прикреплены электроды 2, имеющие контакт с полупроводниковым слоем. Размеры фоторезисторов очень невелики. При подаче к электродам напряжения через фоторезистор будет протекать ток, значение которого пропорцио­нально освещенности. Зависимость тока от освещения имеет нелинейную величину. Однако чувствительность фоторезисторов в сотни раз превышает чувствительность вакуумных элементов, что позволяет их использовать в автоматических устройствах без усилителей.

Недостатками фоторезисторов являются: подверженность влиянию окружающей температуры, утомляемость и высокая инерционность.

Селеновый фотоэлемент (рис.32в) имеет четыре рабочих слоя. Первый слой образован тонкой пленкой золота 1, далее идут запирающий слой 2, селеновый слой 3 и стальная подкладка 4. Запирающий слой, обладая детекторным свойством, пропускает электроны, выделившиеся из пленки золота, и препятствует прохождению электронов противополож­ного направления. Таким образом, световой поток, проходя через пленку золота, создает вентильный фотоэффект. Электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный, что приводит к возникновению разности по­тенциалов Uвых.

В промышленности получили наибольшее распространение селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Рис. 33. Фотодиод.

J-поток света

p

n

Фотодиоды генерируют собственную ЭДС при освещении их световым потоком. Принципиально они представляют полупроводниковый диод, область p – n перехода которого может быть облучена светом (рис.33.).

Фотоэлектрические датчики просты по устройству и достаточно на­дежны в работе. Они находят широкое применение в системах автоматики в литейных и термических цехах: для автоматического управления освеще­нием цехов, измерения температуры жидкого металла и нагретых деталей (фотоэлектрический пирометр), определения прозрачности жидкостей или газов, подсчета форм и изделий, проходящих по конвейеру, для контроля пламени в топках топливных печей. Они применяют в системах защиты обслуживающего персонала от травм и т. п.