Принцип преобразования. Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока

Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь. Фотоэлектрические преобразователи делятся на три типа: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные баллоны, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. В затемненном состоянии через фотоэлемент проходит темновой ток. При освещении фотокатод под влиянием фотонов света имитирует электроны. При изменении освещенности фотоэлемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответственно фототок в этой цепи. Выходные токи вакуумных фотоэлементов не превышают нескольких микроампер. Значительное усиление тока фотоэмиссии получают в фотоумножителях.

Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое наполнение. Благодаря ионизации газа происходит повышение чувствительности фотоэлемента и увеличение тока фотоэмиссии. К газонаполненным фотоэлементам относятся, например, кислородно-цезиевые типа ЦГ; к вакуумным — кисло-родно-цезиевые типа ЦВ и сурьмяно-цезиевые типа СЦВ.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом, как правило, требуют применения усилителей.

 

 

Рис. 47. Световая характеристика фотоэлемента:

1 — кислородно-цезиевого типа ЦГ;

2 — сурьмяно-цезиевого типа СЦВ;

3 — вакуумного типа ЦВ

 

Пропорциональность между фототоком и световым потоком сохраняется не на всем протяжении кривых (рис. 47).

Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления, который может достигать значения 6...7. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов значительно выше вакуумных и составляет 100...250 мкА/лм.

Вольтамперные характеристики вакуумных и газонаполненных фотоэлементов имеют различный характер кривых насыщения. Преобразование светового потока в ток в вакуумных фотоэлементах зависит от напряжения питания фотоэлемента весьма незначительно. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов сильно зависит от напряжения питания. На практике широко используют вакуумные фотоэлементы.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, например из селенида кадмия, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Фоторезисторы имеют высокую чувствительность и линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Темновое сопротивление, чувствительность, инерционность зависят от температуры.

Внутренний фотоэффект наиболее сильно выражен у таких полупроводников, как селен Se, сернистый свинец PbS, сернистый кадмий CdS, селенид кадмия CdSe и др. В зависимости от силы света электрическое сопротивление фоторезистора изменяется в пределах от 100 Ом до 1 кОм. Фоторезисторы могут иметь самые разнообразные конструктивные решения, обеспечивающие разнообразие возможностей применения. Они обладают высокой удельной чувствительностью, что дает возможность обойтись без усилителей, низким температурным коэффициентом, сравнительно большой мощностью рассеивания; имеют практически неограниченный срок службы и достаточно стабильны. К недостаткам этих фотоэлементов можно отнести значительную инерционность и сравнительно высокий уровень шумов.

Фотогальванические преобразователи (фотодиоды и фототранзисторы) представляют собой активные светочувствительные полупроводники, создающие при поглощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое свободные электроны и ЭДС.

Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах — фотодиодном и генераторном. Фототранзистор — полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большим числом р—n-переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока.

Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические. В фототранзисторах чувствительность почти в два раза выше, чем у фотодиодов, и они обладают электрической и технологической совместимостью с интегральными схемами.

Вентильные фотоэлементы обладают тем свойством, что под действием лучистой энергии они становятся источниками тока. Работу фотоэлементов можно оценить по следующим характеристикам:

световая характеристика;

спектральная характеристика;

частотная (инерционная) характеристика;

вольт-амперная характеристика (ВАХ);

температурная характеристика;

усталость фотоэлемента.

Наиболее распространенными являются селеновые, сернисто-серебряные и кремниевые фотоэлементы. Селеновые фотоэлементы более стабильны и имеют большой срок службы. Кремниевые фотоэлементы практически безынерционны, стабильны и имеют низкий уровень шумов.

До освещенности 1000 лк чувствительность кремниевых фотодиодов постоянна. Они имеют энергетический КПД до 11%, поэтому применяются также для электропитания электронных измерительных приборов. Они могут использоваться при температурах до 150°С.

Кроме того, источниками погрешностей измерения являются:

• нестабильность напряжения источников питания фотоэлемента;

• нестабильность напряжения питания источников света, так как от напряжения зависит величина светового потока;

• изменение характеристики фотоэлементов во времени.

Для исключения этих погрешностей применяют дифференциальные фотоэлектрические преобразователи. Избавление от погрешностей дает применение дифференциальных преобразователей лишь в нулевом режиме схемы сравнения. Погрешности, обусловленные изменением напряжения питания U фотоэлементов, а также изменением характеристик фотоэлементов во времени у приборов с дифференциальными преобразователями, работающими в неравновесном режиме, имеют место в той же мере, что и у приборов с недифференциальными преобразователями.

Добиться исключения влияния непостоянства характеристик можно, используя дифференциальный преобразователь с одним фотоэлементом. Свет от лампы разделяется на два пучка. При помощи дополнительных зеркал оба пучка попадают на фотоэлемент. На пути обоих пучков света помещен вращающийся от синхронного двигателя диск с зубцами. Диск выполнен таким образом, что его зубцы поочередно перекрывают то один, то другой пучок, модулируя таким образом световой поток. При равенстве световых потоков освещение фотоэлемента остается постоянным; при их неравенстве возникает переменная составляющая фототока, усиливаемая электронной цепью.

Фотоэлектрические тахометрыработают по принципу, который состоит в измерении частоты переменного тока фотоэлемента, освещенного световым потоком, модулированной вращающимся объектом измерения.

Нефелометры измеряют мутность растворов методом сравнения с образцовой средой.

Фотоэлектрические расходомеры имеют принцип действия, который основан на автоматическом измерении длительности наполнения объема определенной величины.