Фотоэлектрические датчики

Оптические чувствительные элементы, использующие принцип фотоэффекта, называются фотоэлектрическими датчиками.

Принцип фотоэффекта заключается в том, что при освещении поверхности металлов или полупроводников частицы лучистой энергии сообщают электронам освещенного вещества дополнительную энергию. В результате этого ускоряется перемещение электронов, они отделяются от атома и возникает или изменяется сила (напряжение) электрического тока.

Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффекты.

При внешнем фотоэффекте освободившиеся электроны покидают освещенное вещество, а при внутреннем остаются в освещенном веществе, повышая его электропроводность.

Вентильным называется промежуточный фотоэффект, при котором освободившиеся электроны переходят из слоя освещенного в слой неосвещенного вещества, отделенного тонким изоляционном или «запирающим» слоем. Ввиду недостатка электронов в одним слое и избытка их в другом, между слоями !^возникает электродвижущая сила.

Различают фотоэлементы с внешним, внутренним и вентильным фотоэффектами. Электрический ток при воздействии лучистой энергии без каких-либо дополнительных источников создают только фотоэлементы с вентильным фотоэффектом.

Наиболее часто фотоэлементы используются в качестве датчиков, реагирующих на появление или исчезновение светового луча. Наиболее распространены фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Такой элемент представляет собой вакуумную или газонаполненную лампу (рис. 29,а) с катодом 2 из фоточувствительного слоя (обычно цезиевого или сурымяноцезиевого) и анодом 1, выполненным в виде металлической пластинки или кольца. Фоточувствительный слой нанесен поверх тончайшего слоя серебра, которым покрыта часть внутренней поверхности колбы лампы. Вакуумные фотоэлементы практически безынерционны, однако дают меньший фототок, по сравнению с газонаполненными элементами, характеризующимися некоторой инерционностью.

Достоинством фотоэлементов с внешним фотоэффектом является линейность их световых характеристик , т. е. зависимости фототока от величины светового потока (рис. 29,6). Из графика видно, что величина фототока /ф зависит от величины напряжения, приложенного к фотоэлементу.

Чувствительность вакуумных фотоэлементов, выпускаемых в СССР, составляет около 20, а газонаполненных - 120 мка/лм.

Чувствительность фотоэлемента, работающего на сопротивление уменьшается и может быть определена по формуле
і
где:
- статическая чувствительность фотоэлемента при отсутствии сопротивления нагрузки;
- динамическая чувствительность фотоэлемента при наличии сопротивления;
- внутреннее сопротивление фотоэлемента;
- сопротивление нагрузки.

За последнее время значительное распространение начинают получать особые вакуумные фотоэлементы, принцип действия которых основан на следующем явлении.

В результате действия лучистой энергии на катод фотоэлемента возникает эмиссия электронов, излучаемых катодом, и в фотоэлементе появляется первичный электронный ток. Если эту первичную эмиссию направить на второй катод (например, кислородно-цезиевый), подключенный к батарее электрического тока, то такой катод (эмиттер) также будет «выбрасывать» электроны - возникнет вторичная эмиссия. Вторичный электронный ток в несколько раз больше первичного и может быть направлен на следующий эмиттер для нового усиления. Этот метод усиления электронного тока называют «электронным умножением», а приборы, основанные на использовании его,- фотоумножителями.

Схема многокаскадного фотоумножителя приведена на рис. 30,а. Световой поток Ф попадает на катод К фотоумножителя и «выбивает» из него гп\ электронов, которые, получая ускорение от напряжения, снимаемого с сопротивления R, «бомбардируют» эмиттер Зі, «выбивая» из него увеличенное число т2 вторичных электронов. Далее поток количественно увеличивающихся электронов последовательно переносится на эмиттеры Э2, Э3, Э4 и анод А. В цепь фототока умножителя включены сопротивление Ra и измерительный прибор. Для усиления фототока фотоумножитель подключается к усилителю через нагрузочное сопротивление R„, как показано пунктиром.

По внешнему виду (рис. 30,6) фотоумножители напоминают вакуумные фотоэлементы обычного типа.
Отношение числа т2 вторичных электронов к числу Jnl первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии (a = m^/m|) материала, равным обычно 4-:-6.
Полный фототок на выходе фотоумножителя:

где:
- фототок катода;
- число дополнительных электродов;
- чувствительность фотокатода в а/лм;
- коэффициент усиления фотоумножителя;
- общая чувствительность фотоумножителя. Фотоумножителипрактически безынерционны. Их световая
характеристика линейна в широком диапазоне изме
нений светового потока.

В табл. 14 даны технические характеристики вакуумных и газонаполненных фотоэлементов.

Фотоэлемент с внутренним фотоэффектом (фотосопротивление) состоит из диэлектрической пластинки I (рис. 31,а) и тонких металлических проволок 2 и 4. На проволоки (решетки) наносится тонкий слой 3 селена, сернистых таллия, свинца или висмута. При изменении освещенности Ф фотоэлемента его сопротивление изменяется, что регистрируется электрическим измерительным прибором 5, включенным в цепь электрической батареи 6.

Световая характеристика фотосопротивления,т. е. зависимость величины фототока от освещенности поверхности фотоэлемента при одном и том же напряжении, показана на рис. 31,6. Особенностью характеристики является ее нелинейность и падение чувствительностипри увеличении освещенности. Величина чувствительности - может быть определена изхарактеристики как тангенс угла наклона кривой к оси недостаткам фотосопротивлений относится значительная их инерционность и зависимость световой характеристики от температуры элемента.

При использовании фотосопротивления для приведения в действие исполнительных механизмов применяют промежуточные реле и электронные усилители (см. гл. V).

Фотосопротивления выполняются в виде штепсельных вилок, в которые заделаны чувствительные элементы.

Характеристики фотоэлементов с внутренним сопротивлением приведены в табл. 15.

Принцип действия вентильных фотоэлементов с «запирающим» слоем состоит в следующем. Световой поток Ф (рис. 32,а), проходя через полупрозрачный проводник

4 одного из контактов фотоэлемента, попадает на границу между тончайшим запирающим слоем 3 и полупроводником 2, т. е. светочувствительным слоем, нанесенным на металлическую подкладку 1 второго контакта фотоэлемента. Полупроводник и проводник заряжаются разноименно, так как запирающий слой обладает способностью пропускать электроны, освобождаемые из металла под действием света, только в одном направлении.

В настоящее время известны медно-закисные, железо-селеновые, с фронтовым фотоэффектом, серно-серебряные, серно- таллиевые и другие вентильные фотоэлементы.

Световые характеристикифотоэлементов при различных нагрузочных сопротивлениях н приведены на рис. 32,6.

Линейный характер зависимости фототока /ф от освещенности Ф нарушается с увеличением нагрузочного сопротивления.

Фототок /ф вентильного фотоэлемента крайне незначителен и поэтому для приведения в действие исполнительных механизмов применяют промежуточные высокочувствительные реле.

Вентильные фотоэлементы применяются главным образом в измерительной технике. Они не нуждаются в дополнительном источнике питания, так как вырабатывают электрическую энергию. К недостаткам вентильных фотоэлементов относится низкая чувствительность по напряжению, значительная зависимость параметров от температуры, сравнительно большая инерционность, линейность световой характеристики лишь при слабых световых потоках и необходимость включения на низкоомную нагрузку [62, 74]. В табл. 16 приведены технические характеристики вентильных фотоэлементов.