ФОТОЭЛЕМЕНТЫ И ФОТОРЕЛЕ
Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств.
Фотоэлементы разделяются на три типа: 1) с внешним фотоэффектом, 2) с внутренним фотоэффектом, 3) с запирающим слоем.
В фотоэлементе с внешним фотоэффектом действие света вызывает выход из поверхностного слоя фотокатода электронов во внешнее пространство — в вакуум или сильно разреженный газ.
Схема устройства такого фотоэлемента приведена на рис. 222, а. На внутреннюю стенку стеклянной колбы 1, из которой откачан воздух, с одной стороны нанесен фотокатод 2. Широкое применение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды. В центре колбы вакуумного фотоэлемента укреплен металлический анод 3 в виде небольшого кольца или пластинки. Колба снабжена пластмассовым цоколем 4. В нижней части цоколя находятся контактные штырьки 5, к которым подводятся соединительные провода от фотокатода и анода. При помощи этих штырьков фотоэлемент вставляется в фотоэлементную панель.
Для работы фотоэлемента к его аноду и катоду подключают источник электрической энергии — батарею.
Анод соединяется с положительным зажимом, а фотокатод — с отрицательным зажимом источника электрической энергии.
Под действием подведенного к электродам фотоэлемента напряжения внутри него образуется электрическое поле, и электроны, вылетающие с поверхности освещенного фотокатода, направляются на положительно заряженный анод. Эти электроны создают в цепи
отношением величины фототока (в мка или зла), получаемого в цепи, на единицу светового потока (люмен), падающего на фотокатод.
Для увеличения чувствительности фотоэлементов внутрь колбы иногда вводят небольшое количество газа, чаще всего аргона. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. Величина чувствительности фотоэлемента различных типов колеблется от 20 до 150 мка/лм.
Для практического использования фотоэлементов важное значение имеет его вольт-амперная характеристика (рис. 222, б). Она выражает зависимость фототока от величины приложенного напряжения к зажимам фотоэлемента при неизменной величине светового потока, освещающего фотокатод.
Внутреннее сопротивление вакуумных фотоэлементов исчисляется сотнями мегом, а газонаполненных — несколькими десятками мегом. Схема устройства фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, носящих название фотосопротивлений (ФС) или фоторезисторов, приведена на рис. 223, а.
Фотосопротивление представляет собой стеклянную пластинку, покрытую тонким слоем полупроводникового материала (сернистого свинца, сернистого висмута, сернистого кадмия), на котором расположены токопроводящие электроды.
Сущность внутреннего фотоэффекта сводится к следующему. Известно, что электропроводимость связана с количеством носителей заряда, который имеет тот или иной материал. В полупроводниках количество носителей электрических зарядов может увеличиваться вследствие поглощения энергии извне, в частности под воздействием световой энергии.
Увеличение количества носителей электрических зарядов в материале повышает, его способность проводить электрический ток.
В результате этого уменьшается электрическое сопротивление освещаемого материала.
Отличительная особенность фотосопротивлений от фотоэлементов с внешним фотоэффектом заключается в том, что при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещенного материала, а при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри материала, увеличивая тем самым количество носителей электрических зарядов.
Изменение проводимости в полупроводниках под воздействием света может быть очень большим. В некоторых материалах при переходе от темноты к интенсивному освещению сопротивление уменьшается в десятки раз и соответственно изменяется величина тока в цепи фотосопротивлений (рис. 223, б).
Величина изменения сопротивления, вызванная воздействием светового потока на фотосопротивление,
где Δr — изменение сопротивления ФС, ом,
rт. — сопротивление ФС в темноте, ом,
rc— сопротивление ФС при его освещении, ом.
Число, показывающее, во сколько раз rт больше rc , называется кратностью изменения сопротивления ФС.
Оно может иметь значение от 1,0 до 500. Чувствительность их оценивается в мка при напряжении 1 в и составляет 500— 3000 мка/лм-в, следовательно, превышает чувствительность фотоэлементов с внешним фотоэффектом. Поэтому в ряде устройств в настоящее время фотосопротивлениями заменены фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
Недостатком фотосопротивлений является то, что при их освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время (инерционность фотоэлемента), то же относится к нелинейной зависимости фототока от силы света, т. е. фототок возрастает медленнее, чем сила света, освещающая фотоэлемент. Кроме того, фототок зависит от температуры среды (1—3% на 10°С). Последнее обстоятельство затрудняет применение фотосопротивлений при больших изменениях температуры внешней среды.
Устройство одного из фотоэлементов с фотоэффектом в запирающем слое, носящих название вентильных фотоэлементов, показано на рис. 224. На стальное основание
нанесен слой селена, на котором помещается тончайшая (тысячные доли микрона) полупрозрачная пленка из золота. Между полупроводником и металлом при обработке фотоэлемента образуется электронно-дырочный р — n-переход.
Корпус фотоэлемента, изготовленный из изоляционного материала, имеет два зажима.
Когда на светочувствительную поверхность фотоэлемента падают лучи света, они, проникая сквозь полупрозрачную пленку металла в полупроводник — селен, освобождают в нем электроны; последние проникают через р —n-переход в металлическую пленку и заряжают ее отрицательным зарядом. При этом опорный электрод вследствие ухода электронов заряжается положительно. Под действием возникшей разности потенциалов в цепи элемента возникает фототок.
Селеновые фотоэлементы обладают высокой чувствительностью (до 500— 600 мка/лм).
Кроме селена, для изготовления вентильных фотоэлементов применяют сернистый таллий, закись меди, сернистое серебро, германий и кремний. Важным отличием таких фотоэлементов является возможность получения значительного фототока при освещении их поверхности без включения в цепь источника электрической энергии.
освещении фотокатода вылетающие с его поверхности первичные электроны под действием электрического поля, создаваемого между анодом и фотокатодом, с большой скоростью устремляются к положительно заряженному аноду. Так как анод выполнен в виде сетки, то большинство электронов пролетает сквозь нее и с силой ударяется о поверхность эмиттера. Каждый электрон, попа-
дающий на эмиттер, выбивает несколько электронов с его поверхности. В результате такой бомбардировки эмиттера с его поверхности вылетает множество вторичных электронов, число которых в 7—10 раз превышает количество первичных электронов, ударяющихся об эмиттер.
Вследствие того, что анод имеет относительно эмиттера потенциал U = 50 в и близко расположен к нему, все электроны попадают на анод и в его цепи возникает анодный ток, превышающий в 7—10 раз фототок, образованный первичными электронами, вылетающими из фотокатода. Образованный поток вторичных электронов можно, воздействуя на него электрическим или магнитным полем, направить последовательно на несколько (до 20) эмиттеров. В этом случае получится еще более значительный, многократно усиленный поток электронов (усиление до 108). Такой способ усиления фототока называют умножением. По этой причине приборы, в основе действия которых лежит
этот процесс, называются фотоумножителями.
На рис. 225, б показана схема четырехкаскадного фотоумножителя. Световые лучи через линзу Л фокусируются на фотокатоде ФК1.
Поток первичных электронов с этого катода попадает на катод К2 (первый каскад усиления), излучающий увеличенный поток вторичных электронов. Этот поток электронов последовательно усиливается на каскадах с катодами К3 и К4 и падает на анод фотоумножителя, который соединен с электрической цепью, питаемой через фотоумножитель.
Применение фотоумножителей позволяет усилить ток в десятки миллионов раз. Однако при этом требуется высокое напряжение (1000—2000 в), так как разность потенциалов между каждой парой соседних эмиттеров должна составлять 100—200 в.
Выходной ток фотоумножителя относительно невелик, не больше нескольких десятков миллиампер, так как назначение фотоумножителя— не получение больших выходных токов, а работа с предельно малыми световыми потоками.
Фотоэлементы широко используются в фотореле. Обычно фотореле представляет собой сочетание фотоэлемента и электромагнитного реле (рис. 226).
К зажимам «Вход» фотореле подключается источник электрической энергии переменного тока 127—220 в. К зажимам «Выход» присоединяется объект (нагрузка), управляемый при помощи фотореле.
Когда фотосопротивление затемнено, сила тока в его цепи очень мала вследствие того, что в темноте фотосопротивление обладает большим сопротивлением (107—108 ом).
Благодаря разомкнутым контактам электромагнитного реле через управляемый объект ток также не протекает — он выключен.
При освещении фотосопротивления его электрическое сопротивление резко уменьшается, через выпрямитель, обмотку электромагнитного реле и фотосопротивление проходит электрический ток. Якорь реле притягивается к сердечнику и замыкает через свои контакты цепь управляющего объекта — включается объект. Поскольку контакты электромагнитного реле телефонного типа не рассчитаны на большую мощность, то при необходимости управления значительной мощностью контакты этого реле, замыкаясь, включают вторичное реле, пружины которого рассчитаны на большую нагрузку— большую силу тока.
Весьма часто для увеличения фототоков используется ламповый усилитель. В этом случае фотореле состоит из фотоэлемента, усилителя и электромагнитного реле. Схема такого фотоэлектронного реле приведена на рис. 227.
В цепь анода усилительной лампы 1 включено электромагнитное реле 2, к контактам которого присоединяется объект, управляемый этим реле. Фотоэлемент 3 подключается одним концом к сетке лампы, а другим — к батарее 4.
При освещении фотоэлемента на сопротивлении R создается падение напряжения и на сетке лампы поддерживается отрицательное напряжение по отношению к катоду. Лампа в этом случае заперта, в цепи анода тока нет.
Когда же освещение фотоэлемента прекращается, через лампу в цепи анода начинает протекать ток и реле срабатывает, замыкая своими контактами цепь объекта.
На рис. 228 приведена схема фотоэлектрического автомата, который автоматически останавливает ротационную (печатную) машину при обрыве бумаги. Работой автомата управляют три фотосопротивления. В схему автомата включены: первичное электромагнитное реле Ри вторичное реле Р1 типа МКУ-48 с контактами, допускающими нагрузку до 1000 ва, и три осветительные лампы.
При обрыве бумаги свет попадает на одно или несколько фотосопротивлений. При этом через первичное реле Р1 проходит достаточной силы ток и его контакты замыкаются. В результате срабатывает вторичное реле Р2, которое размыкает цепь двигателя машины. Машина автоматически останавливается.
Контрольные вопросы
1.Каково строение атомов германия?
2. Чем отличается электронная проводимость полупроводников от дырочной?
3. При каком условии полупроводниковый диод пропускает электрический ток?
4. Как устроен селеновый вентиль?
5. Чем отличается выпрямленное напряжение до фильтра при однополупериодном выпрямлении?
6. Сколько р — n-переходов имеет полупроводниковый триод?
7. Назовите и изобразите три основные схемы включения транзистора.
8. Как устроен и действует фотоэлемент с внешним фотоэффектом?
9. Для чего служит фотоумножитель?
10. Из каких элементов состоит фотоэлектронное реле?
Дата добавления: 2021-04-21; просмотров: 315;