Лекция 8. Основные структурные схемы оптоэлектрических преобразователей и приборов

Рис. 17.10

Рис. 17.9

Таблица 17-3

Рис. 17.8

Рис. 17.7

Рис. 17.6

Рис. 17.5

Таблица 17-2

Рис. 17.4

Таблица 17-6

Рис. 17.3

Рис. 17.2

Рис. 17.1

Лекция 7. Приемники излучения

Диапазон длин волн, в котором приемники излучения обладают постоянной чувствительностью, позволяет подразделить их на две группы: интегральные и селек­тивные приемники.

К интегральным относятся тепловые преобразователи, принцип действия кото­рых основан на преобразовании энергии излучения в температуру. Тепловые прием­ники поглощают всю мощность падающего на них излучения независимо от длины волны излучения.

К селективным относятся фотоэлектрические преобразователи (ФП), в которых используются явления внешнего или внутреннего фотоэффекта: вакуумные и газо­наполненные фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, фотодиоды и т.д.

Тепловой приемник представляет собой тонкий металлический диск 1 термочувствительный элемент 3, измеряющий температуру диска (рис. 17.1,а).

Диск 1, покрытый слоем черни 2, поглощающим падающее на него излучение, нагревается до температуры, при которой мощность, рассеиваемая излучением, тепло­проводностью и конвекцией, будет равна поглощаемой мощности. Коэф­фициент поглощения черненой поверхности мало отличается от единицы в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. Таким образом, выходная величина приемника пропорциональна интегральной мощности Р_х падающего на его приемную площадку излучения и не зависит от спектрального состава этого излу­чения.

В ряде случаев преобразователь излучения не имеет специального диска и пред­ставляет собой плоскую полоску из двух различных металлов, образующих термопару, либо тонкую полоску из металла или полупроводника, изменяющую свое явление в зависимости от температуры. Преобразователи с изменяющимся сопротивлением называются болометрами.

Для уменьшения конвективных потерь преобразователь излучения помешают в вакууме (при откачивании воздуха в баллоне до 10^-2 Па чувствительность возрастает более чем в 10 раз). В корпусе преобразователя делается окно из кварца, прозрачного для инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Площадь элемента, воспринимающего излучение, не должна превышать площади сечения падающего пучка лучей и в зависимости от поставленной задачи может составлять 0,1-l0⁴ мм².

Преобразователь мощности излучения в температуру является апериодическим звеном, коэффициент преобразования которого и постоянная времени при наличии только потерь на излучение определяются из уравнения теплового баланса cdΘ/dt+4ε₂σ ΘS₂=ε₁ω₀S₁ как

k=Θ/ω₀=ε₁S₁/(4ε₂σ S₂) и τ_тепл=с/(4ε₂σ S₂),

где с - теплоемкость; ω₀ - удельная мощность излучения; S₁ и ε₁ - площадь и коэффициент поглощения облучаемой площадки; S₂ и ε₂ - эквивалентная излучаю­щая площадь и эквивалентный коэффициент излучения элемента; σ - постоянная Стефана-Больцмана; Т_о - абсолютная температура элемента; Θ - приращение температуры элемента. Частотная характеристика преобразователя показана на рис. 17.1.,б.

В качестве термочувствительного элемента может быть использован терморезистор или батарея термопар, пьезорезонатор, частота которого изменяется в зависимости от температуры, а также пироэлектрический преобразователь.

Пироэлектрические элементы входят в группу пьезоэлектриков. Пироэлектрический эффект заключается в том, что заряд на гранях элемента появляется под действием температуры, значение заряда определяется как q_Θ =γSΘ, где γ - пиро­электрический коэффициент по соответствующей оси; S — площадь элемента; Θ - температура.

К пироэлектрикам относится ряд пьезоэлектрических кристаллов и текстур, из которых наиболее широко применяются титанат бария BaTiO₃ [γ=5·10^-10 Кл/(см²·К) при 20 °С], триглицинсульфат ТГС [γ=3·10^-8 Кл/(см²·К)], пьезокерамика ЦТС-19 [γ=5·10^-9 Кл/(см²·К)] и танталат лития LiTaO₃ [γ=1,6·10^-8 Кл/(см²·К)].

Особенностью пироэлектрических преобразователей излучения является в пер­вую очередь совершенно иная частотная характеристика преобразователя (рис. 17.1., г), чем у преобразователей излучения с терморезисторами и термоэлементами (рис. 17.1.,в). Объясняется это различие тем, что пироэлектрический преобразователь, так же как и пьезоэлектрический, в области низких частот является дифференцирую­щим звеном. Рабочий диапазон частот пироэлектрического преобразователя ограни­чен, как видно из рис. 12-9, в, снизу частотой ω₁=1/τ_тепл (τ_тепл≈10÷20 с) и сверху частотой ω₂=1/τ_э

(τ_э≈10^-5÷10^-6 с).

Важной характеристикой приемников излучения является порог чувствитель­ности по мощности излучения. При нормальной температуре, т. е. при Θ≈25°С, для болометрических приемников порог чувствительности характеризуется величи­ной Р≈10^-10 Вт/Гц^0,5, для пироэлектрических Р≈2·10^-9 Вт/Гц^0,5. При охлаждении приемников значение Р понижается, в частности при -253°С для болометров Р≈5·10^-12 Вт/Гц^0,5 Тепловые приемники излучения применяются в термографии, т.е. при съемках без освещения, и позволяют определить разницу температур раз­личных предметов до 0,1°С.

Характеристики фотоприемников (ФП). Мо­нохроматической чувствительностью ФП назы­вается отношение приращения фототока к изме­нению плотности монохроматического потока с длиной волны λ, а именно S_λ=ΔI/ΔР_λ в мик­роамперах на ватт. Зависимость S_λ=f(λ) на­зывается спектральной характеристикой ФП. Практически чаще используется относительная спектральная характеристика γ_λ=S_λ/S_λmax, где S_λmax - максимальное значение монохроматической чувствительности ФП.

Интегральная чувствительность зависит, как это видно из рис. 17.2, от степени перекрытий функций спектральной чувствительности ФП γ_λ и спектраль­ной плотности P_λ лучистого потока:

(17.1)

Фотоприемники, предназначенные для работы в видимой области спектра, характеризуются интегральной световой чувствительностью S_ф=ΔI/ΔФ в микро­амперах на люмен, которая может быть рассчитана по формуле (17.1). Интегральные чувствительности, приводимые в паспортных данных, определены при использовании стандартных источников. При использовании источников излучения, отличных от стандартных, интегральная чувствительность должна быть пересчитана.

Чувствительность ПФ зависит от конкретной схемы включения ФП, поэтому употребляются понятия «чувствительность по напряжению» и «чувствительность по току».

Вольт-амперная характеристика определяет зависимость фототока от напряже­ния питания, приложенного к ПФ при постоянном значении светового потока.

Световая характеристика — зависимость фототока от значения светового потока неизменного спектрального состава — характеризует нелинейность ФП.

Постоянная времени определяет быстродействие ФП и возможность измерения световых потоков переменной интенсивности. Порог чувствительности характеризу­ется минимальным значением потока излучения, который вызывает на выходе фото-приемника сигнал, в заданное число (m) раз превышающий уровень шума. Поскольку уровень шума задается обычно на выходе ФП как дисперсия, порог чувствитель­ности определяется формулой.

Верхний предел измерения ограничен наличном эффекта усталости светочув­ствительного слоя, зависящего как от значения светового потока, гак и от времени его действия и вызывающего уменьшение чувствительности и смещение спектральной характеристики ФП. Эффект усталости ограничивает максимально допустимые осве­щенности или максимально допустимые выходные токи фотоприемников.

Температура окружающей среды влияет на значения флуктуационных помех, темнового тока и чувствительности ФП, и для некоторых типов ФП, в особенности подверженных действию температуры (фоторезисторы), в паспорте приводятся и температурные характеристики.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом — это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия этих фотоэлементов заключается в том, что кванты света, достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фото ток.

Электрон может покинуть катод, лишь если энергия фотона больше работы выхо­да, т.е. hс/λ≥A, где h — постоянная Планка. Значение А зависит от химической природы н состояния поверхности. Таким образом, для каждого типа фотокатода существует длинноволновая, или красная, граница спектральной чувствительности, определяемая длиной волны λ₀=A/(hc).

Спектральные характеристики вакуумных газонаполненных фотоэлементов и фотоумножителей целиком определяются свойствами фотокатодов.

На рис. 17.3.,а приведены такие характеристики для наиболее распространенных серебрянокислородноцезиевого (кривая 1), су­рьмяноцезиевого (кривая 2) и многощелочного (кривая 3) фотокатодов.

Вакуумные фотоэлементы выпол­няются в виде сферических стеклян­ных баллонов, на внутреннюю поверх­ность которых наносится слой фоточув­ствительного материала, образующий фотокатод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. На рис. 17.3.,б приведены вольт-ампер­ные характеристики вакуумного фотоэлемента.

Преобразование светового потока в ток в вакуумных фотоэлементах практически безынерционно, так как определяется в основном временем фотоэмиссии (около 10^-12 с) и временем пролета электронов (около 10^-9 с). Однако при использовании фотоэле­ментов приходится ориентироваться на значительно большую инерционность цепи, определяемую внутренним сопротивлением и емкостью фотоэлемента, а также сопро­тивлением и емкостью подключаемых к нему внешних цепей.

При измерении слабых световых потоков необходимо учитывать ток, текущий через фотоэлемент, когда он затемнен. Основными составляющими темнового тока фотоэлемента является ток термоэлектронной эмиссии с катода (около 10^-12 А) и ток утечки между электродами (10^-10 - 10^-7 А).

Освещенность фотокатода при длительной работе должна быть такой, чтобы ток фотоэмиссии не превышал 1 мкА на 1 см² поверхности катода (Е≈10² лк). Таким образом, выходные токи вакуумных фотоэлементов не превышают нескольких микро­ампер.

Характеристики вакуумных фотоэлементов приведены в табл. 17-1. В спектраль­ном диапазоне указана длина волны, соответствующая максимальной чувствитель­ности.

Обозначение фотоэлемента и тип фотокатода	Напряжение, В	Интегральная чувствительность, мкА/лм	Спектральный диапазон, мкм	Темновый ток, мкА	Размеры, мм
Длина L	Диаметр D
ЦВ-3, кислородно- цезиевый, вакуумный			0,4-0,8-1,2	0,1	-	-
Ф-5, сурьмяно- цезиевый, вакуумный			0,4-0,45-0,6	10-4	-	-
ЦГ-1, кислородно- цезиевый, газонаполненный		75-150	0,4-0,8-1,2	0,1
ФЭУ-1, сурьмяно- цезиевый с одним эмиттером			0,4-0,45-0,6	0,1
ФЭУ-68, сурьмяно- цезиевый с десятью эмиттерами		50-106	0,3-0,43-0,8	0,01

Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи, в несколько раз большие токов от вакуумных фотоэлементов. При заполнении фотоэлемента инертными газами Ne, Ar, Kr, Хе фотоэлектроны, движущиеся к аноду, сталкиваются с молекулами газа и ионизируют их. В результате от катода к аноду двигается нарастающая лавина электронов, а к катоду — лавина положительно заряженных ионов.

Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления и может достигать 6—7. Соответственно этому чувствительность газовых фотоэлементов составляет S_ф =100÷250 мкА/лм (табл. 17-1).

Из приведенных на рис. 17.3.,в вольт-амперных характеристик следует, что чувствительность газовых фотоэлементов весьма сильно зависит от напряжения питания, которое должно стаби­лизироваться и не превышать 100-240 В, ибо выше этих значений начинается область самостоятельного разряда.

В газовых фотоэлементах максимальная амплитуда фото­тока достигается лишь через некоторое время после начала ос­вещения (по мере развития газового разряда). Поэтому газовые фотоэлементы применяются для регистрации световых потоков с частотами не выше нескольких сотен герц.

Фотоумножители. В фото­умножителях для усиления пер­вичного фототока используется вторичная электронная эмиссия. Для этого в фотоумножителях (рис. 17.3., г), помимо фотокатода К и анода А, вводятся вторичные катоды (эмиттеры) Э и системы фокусировки электронного пучка. Коэффициент вторичной эмиссии может состав­лять 2,5—4. Общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях до­стигает сотен тысяч. Выходной ток фотоумножителей может достигать 1 мА.

Явление вторичной электронной эмиссии практически безынерционно, поэтому фотоумножители, как в вакуумные фотоэлементы, могут использоваться для реги­страции весьма быстро протекающих процессов. Параметры некоторых фотоумножите­лей приведены в качестве примера в табл. 17-1.

Фоторезисторы представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта. Спектральные характеристики фоторезисторов представлены на рис. 17.4. и определяются свойствами используемых полупроводниковых материалов.

Кривая 1 характеризует фоторезисторы из сернистого свинца (тип ФС-А), кривая 2 — из селенида кадмия (тип ФС-Д), кривая 3 — из поликристаллов серни­стого кадмия (тип ФС-К) и кривая 4 — из монокристаллов сернистого кадмия (тип ФС-КМ). Фоторезисторы характеризуются кратностью изменения сопротивления под действием света n=R_темн/R_{E=200 лк}, которая для различных типов фоторезисто­ров лежит в пределах 1,2—10.

Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейны в пределах допусти­мых мощностей рассеяния. Световая характеристика фоторезистора линейна только при малых уровнях светового потока, практически до освещенностей 200—300 лк. Постоянные времени фото рези сто ров составляют 10^-2 - 10^-5 с.

Порог чувствительности фоторезисторов определяется дрейфом темнового сопро­тивления и шумами различных видов. Дисперсия теплового и дробового шумов опре­деляется соответственно формулами: 4kTRΔf и, где k — постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Δf — полоса частот; е — заряд электрона; i₀ — среднее значение тока через фоторезистор. Избыточный шум (шум вида 1/f) обусловлен неоднородностью структуры материала чувствительного слоя приемника. Дисперсию избыточного шума определяют по формуле, где А=10^-11÷10^-12 - постоянный коэффициент. Фотонный шум определяется флуктуациями числа фотонов, попадающих на фотоприемник. Общая флуктуация (для пары тепловой источник — приемник), определяющая дисперсию, равна, где ε - коэффициент поглощения чувствитель­ного слоя приемника; σ - постоянная Стефана-Больцмана; S - площадь чувст­вительного слоя приемника; Т_и и Т_п — абсолютная температура источника и прием­ника соответственно.

Характеристики фоторезисторов (темновое сопротивление, чувствительность, инерционность) сильно зависят от температуры. Темновое сопротивление и чувстви­тельность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени τ увеличи­вается. Для большинства фоторезисторов допустимый температурный диапазон составляет от -60 до +60 °С. Характеристики некоторых фоторезисторов приве­дены в табл. 17-2.

Параметры фоторезисторов	Значение параметров для фоторезисторов типа
ФСА-1а	ФСК-5	ФСК-7А	СФ3-1	СФ4-1
Рабочая площадь, мм2	7,5×7,5	1×1		0,3×1,5	1×1
Напряжение, В			50-220
Темновое сопротивление, Ом	104 – 106	5·106	104-106	3·107	104-106
Удельная чувствительность, мкА/(лм·В)				105	6·106
Кратность	1,2		10-300	105	1,03
Допустимая мощность рассеяния, Вт	0,01	0,05	0,4	0,01	0,01
Постоянная времени при затемнении, с	4·10-5	-	6·10-2	-	(3÷5) 10-6
Верхняя граничная частота, Гц	(1÷5) 103		-	-	3·104
Длина волны при Sλmax, мкм	2,1	0,64	0,64	3,5	3,5

Следует отметить, что фоторезисторы могут иметь самые разнообразные конструктивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, кольцевой формы и т. д. Конструкция фоторезистора ФСК-1 показана на рис. 17.5., а.

Представляют интерес дифференциальные фоторезисторы, которые имеют три вывода и могут прямо включаться в дифференциальные измерительные цепи. Дифференциальный фоторезистор тина ФСК-7А изображен на рис. 17.5.,б. Позиционно-чувствительные фоторезисторы выполняют роль бесконтактных реохордов и делителей тока, управляемых перемещением светового пятна. Конструкция такого фоторезистора показана на рис. 17.5,в. На диэлектрической подложке нанесены фоторезистивная полоса 1, высокоомный резистивный слон 2 и низкоомный резистивный слой 3, пред­ставляющий собой эквипотенциальный коллектор. Фоторезистор освещается свето­вым зондом 4. Эквивалентная схема фоторезистора показана на рис. 17.5.,г, где R — сопротивления отдельных участков резистивного слоя 2; g_t и g_c — соответст­венно темновая и световая проводимости участков фото резистора; С — емкость между резистивным слоем 2 и коллектором 3. Схема деления напряжения в предположении, что g_t→0, С→0 и g_c→∞, показана на рис. 17.5, д. Лучшие фотопотенциометры имеют разрешающую способность 1 —10 мкм.

Фоторезисторы широко применяются в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда возможно как и направлении, перпендикуляр­ном электродам (рис. 12-13, е), так и в направлении, параллельном электродам (рис. 17.5., ж). В первом случае проводимость резистора определяется формулой G=[1+η(n-1)]/R_темн, где R_темн - темновое сопротивление; n - кратность изменения сопротивления при заданной освещенности; η=h_ocв/h — отношение ширины освещенной части к полной ширине элемента.

Полагая, что в начальном положении η=0,5 и G₀=[1+0,5(n-1)]/R_темн, можно найти относительное изменение проводимости ΔG/G₀=f(ε) в зависимости от относительного перемещения ε=2Δh/h как ΔG/G₀=0,5ε (n-1)/[1+0,5(n-1)]. При кратностях изменения сопротивления n>100 значение ΔG/G₀=ε, при малых кратностях n=1,2 имеем ΔG/G₀≈0,1ε.

При смещении светового пятна параллельно электродам начальное сопротив­ление фоторезистора R₀ при η= l _осв/ l =0,5 составляет R₀=0,5R_темн(n+1)/n. Относительное изменение сопротивления определяется как ΔR/R₀=ε(1-n)/(1+n) и равно ΔR/R₀≈ε при n>100 и ΔR/R₀≈0,09ε при n=1,2.

Измерительные цепи фоторезисторов строятся с использованием как постоян­ного, гак и переменного напряжения питания. Допустимое напряжение питания определяется допустимой мощностью рассеяния и сопротивлением максимально освещенного фоторезистора как. Наиболее распространенной измерительной цепью является мостовая цепь, реже применяется включение фоторезис­тора в цепь делителя напряжения. При выборе элементов мостовой измерительной цепи следует иметь в виду, что сопротивление или проводимость фоторезистора меняются очень существенно и измеритель­ная цепь может внести дополнительную не­линейность. В состав современ­ных измерительных цепей включаются опе­рационные усилители. Пример измеритель­ной цепи с операционным усилителем пока­зан на рис. 17.6.

Выходное напряжение усилителя U_BЫХ=-EG₁/G₂ пропорциональ­но отношению проводимостей двух фото­резисторов дифференциального преобразова­теля. При использовании одинарного преоб­разователя и замене фоторезистора 2 резистором R₀ напряжение U_ВЫХ=-ER₂/R₀ пропорционально изменению проводимости фото резистор а /; при замене фоторезистора 1 резистором R_Q напряжение U_BUX = — ER₂/R₀ пропорционально измене­нию сопротивления фоторезистора 2.

Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ) относятся к группе полупроводни­ковых фотоприемников. В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель фото­тока. ФД могут работать в двух режимах — фотогенераторном (вентильном) и фото­диодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении р-n-перехода.ток увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

На рис. 17.7., а показаны световые характеристики ФД, на рис. 17.7.,б - вольт-амперные характеристики ФД, там же проведены прямые, соответствующие нагрузочным характеристикам ФД в генераторном режиме при большом (прямая 1) и малом (прямая 2) сопротивлениях нагрузки и в фотодиодном режиме (прямая 3). Из при­веденных характеристик очевидно, что фотодиодный режим характеризуется нали­чием темнового тока, возрастающего при увеличении приложенного напряжения. Напряжение холостого хода U_x.x в фотогенераторном режиме (рис. 17.7, б) не превышает 0,2—0,5 В (потенциальный барьер) и увеличивается при увеличении освещенности лишь до значений Е≈550 мкВт/мм³. Характеристика I_К.З=F(Е) обладает большей линейностью, ток пропорционален освещенности до значения Е≈1500мкВт/мм². Линейность характеристик в фотодиодном режиме наблюдается до освещенностей: Е≈10³÷10⁴ лк — для германиевых ФД и Е =10⁵ лк — для кремниевых ФД. Характеристики относительной спектральной чувствительности кремниевых (кривая 1) и германиевых (кривая 2) ФД приведены на рис.17.7., а.

Интегральная чувствительность серийно выпускаемых ФД и ФТ определяется в фотодиодном режиме при освещении от стандартного источника с цветовой температурой Т_цв=2360 К как S=(I_осв-I_темн)/Ф, где (I_осв-I_темн) - разность между световым и темновым токами. Для кремниевых ФД порог чувствительности может достигать 10^-13 -10^-14 Вт·Гц^-0,5, для германиевых 10^-12 Вт·Гц^-0,5. Для реализации низких порогов входные сопротивления усилителей, используемых с ФД, должны быть в диапазоне 5—50 МОм [11].

Инерционность ФД определяется временем пролета носителей (10^-8—10^-9 с) и постоянной времени RС-цепи, образованной емкостью р-n-перехода и последова­тельно включенной с ней суммой сопротивлений собственно ФД и нагрузки R_Н. Емкость p-n-перехода для фотодиодов со­ставляет в зависимости от площади пере­хода 10—100 пФ и уменьшается с уве­личением обратного напряжения, при­ложенного к переходу. При напряжениях U≈10 В и сопротивлениях нагрузки, не превышающих 10—100 кОм, частотный диапазон может достигать 0,1 — 1 МГц. Специальные ФД имеют частотный диа­пазон до 10⁸—10⁹ Гц.

Характеристики ФД зависят от тем­пературы. Для кремниевых ФД в генераторном режиме напряжение U_x.x падает с уменьшением температуры примерно на 2,5мВ/К, ток I_к.з увеличивается, отно­сительное изменение тока составляет около 3·10^-3 К^-1. При повышении температу­ры минимум спектральной чувствительности смещается в сторону длинноволново­го излучения, монохроматическая чувствительность увеличивается на 0,002 К^-1. Очень сильно зависит от температуры темновой ток, увеличиваясь при повышении тем­пературы от 20 до 60 °С в сотни раз.

На рис. 17.8 приведены зависимости темновых то­ков от температуры для кремниевых (рис. 17.8.,а) и германиевых (рис. 17.8.,б) ФД. Характеристики некоторых ФД и ФТ приведены в табл. 17-3.

Тип фотоприемника	Площадь чувствительной поверхности, мм2	Рабочее напряжение, В	Интегральная чувствительность, мА/лм	Темновой ток, мкА	Постоянная времени, с
ФД-1					5·10-5
ФД-2					5·10-5
ФД-3					5·10-5
ФД-5Г					(3÷5) 10-6
ФД-6К					(3÷5) 10-6
ФД-7К			2,5		10-7
ФД-9К	19,6				10-7
					-
			0,7		3·10-6
ФТ-1К					-
ФТК-3					10-4

Схемы включения фотодиодов показаны на рис. 12-17. В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей (рис.17.9., а) или мостовые измерительные цепи (рис. 17.9, б), позволяющие в известной степени уменьшить влияние дрейфа темнового тока. ФД по напряжению питания хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому используются обычно в схемах совместное операционными усилителями. На рис. 17.9,в показана схема включения ФД, работающего в фотогенераторном режиме. Благодаря тому что входит сопротивление усилителя (R_вх=R_o.c/k₀) не превышает 10 Ом. ФД работает и режиме, близком к короткому замыканию (прямая 2 на рис. 17.7,б) и обладает достаточно линейной характеристикой. Использование низкоомной нагрузки позволяет также увеличить быстродействие фотодиода за счет снижения постоянной времени τ=R_нC_фд.

Фотоварикапы. Принцип действия фотоварикапа основан на изменении емкости р-n-перехода при действии потока оптического излучения. Емкость р-n-перехода для кремниевых фотоварикапов составляет 30 пФ/мм², относительное изменение емкости на единицу потока равно 5,7 мВт^-1. Фотовари­капы из арсенида галлия имеют удельную емкость до 500 пФ/мм² м светочувствительность 240 мВт^-1.

Оптроны представляют собой комбинацию ми­ниатюрного источника света и приемника излучения. Между элементами оптронной пары отсутствует элект­рическая связь, а преобразование входного сигнала в выходной происходит по схеме: электрический сигнал - оптический сигнал - электрический сигнал. На рис. 17.10 приведена конструкция оптрона.

Излучение светодиода 1 фокусируется отражателем 2 на поверхности фотоприемника 3. Прост­ранство между светодиодом и фотоприемником залито прозрачным компаундом. Оптроны получили широкое применение как элементы схем измерительных приборов, позволяющие осуществить гальваническую развязку цепей.

Обобщенная структурная схема оптоэлектрического преобразо­вателя (рис.18-1) содержит источник излучения, оптический капал, приемник излучения и измерительную цепь.

Рис.18-1. Обобщенная структурная схема оптоэлектрического преобразователя

Измеряемая величина X воздействует непосредст­венно на источник излуче­ния, изменяя параметры излучаемого потока Ф₁ или па оптический канал, модулируя соответствую­щий параметр потока в процессе распространения излучения. Чаще всего под действием измеряемой величины изменя­ется интенсивность лучистого потока, например вследствие измене­ния температуры излучателя, пропускания, поглощения или рассея­ния оптического канала, однако могут изменяться также фазовый сдвиг между электромагнитными колебаниями в двух лучах, вызывае­мый разностью оптического хода этих лучей, и частота и длина волны излучения, генерируемого источником.

Соответственно структурные схемы оптоэлектрическнх преобра­зователей могут быть разделены на три группы: схемы измерения интенсивности излучения, схемы измерения сдвига фаз и угла пово­рота плоскости колебании и схемы измерения частоты и длины волны электромагнитных колебаний оптического диапазона.

Непосредственное измерение частоты колебаний и угла сдвига между колебаниями оптического диапазона затруднено из-за отсут­ствия фотоприемников и электронных схем, быстродействие которых соответствует частотам 10¹⁴ — 10¹⁷ Гц. Схемы измерения частоты и фазы колебаний строятся в подавляющем большинстве случаев с предварительным преобразованием в интенсивность излучения или гетеродинным преобразованием частоты. Преобразования по­добного рода требуют наличия источника когерентных колебаний, поэтому электрооптические преобразователи, в которых используется преобразование измеряемой величины X в угол сдвига, получили развитие только в последние годы, ког­да появилась возможность широкого использования лазеров.

Структуры оптоэлектрических преобразователей интен­сивности излучения. В этих преобразователях использу­ются три алгоритма работы: а) измерение потока Ф_х; б) измерение отношения потоков Ф₁/Ф₂, где в качестве одного из потоков, напри­мер Ф₂, обычно используется образцовый (эталонный) поток Ф_Э; в) измерение разности потоков

Ф₁-Ф₂

где Ф₁=Ф_х, Ф₂=Ф_Э или Ф₁=Ф₁₀+ΔФ и Ф₂=Ф₂₀-ΔФ.

В качестве примера преобразователя, измеряющего непосред­ственно поток Ф_х, на рис. 18-2 показано схематическое устройство автоматического экспонометра для кинокамеры.