Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или иной электроприбор, электрические свойства, которого (сила тока, внутреннее сопротивление или ЭДС) изменяются с под действием падающего на него светового излучения.
В зависимости от среды, в которой происходит движение электронов, фотоэлементы подразделяются на:
электронные (вакуумные) фотоэлементы, в которых движение электронов происходит в вакууме;
ионные (газонаполненные) фотоэлементы, в которых при движении электронов в разреженном газе происходит ионизация атомов газа;
полупроводниковые – в которых освобожденные электроны увеличивают проводимость приборов или создают ЭДС.
В электронных и ионных фотоэлементах используется внешний фотоэффект. Он заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов вещества дополнительную энергию, достаточную для выхода их из данного вещества в окружающую среду (вакуум или разреженный газ).
В фоторезисторах (фотосопротивлениях) используется внутренний фотоэффект. Заключается в том, что источник излучения вызывает увеличение энергии у части электронов вещества, ионизацию части атомов и образование новых носителей зарядов – свободных электронов и дырок, вследствие чего электрическое сопротивление вещества уменьшается.
|
|
В полупроводниковых фотоэлементах – фотодиодах и фототриодах используется фотоэффект возникновения ЭДС.
Фоторезистор – полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого резко изменяется под действием падающего на него излучения.
Фоторезистор (рис. 8.6, а) представляет собой стеклянную пластинку 1, на которую путем напыления в вакууме нанесен тонкий слой полупроводника 2, а по краям выведены два металлических электрода 3. При изготовлении полупроводниковый слой покрывается прозрачным лаком для защиты от влаги и механических повреждений. Пластинку помещают в корпус с двумя выводами.
Через неосвещенный фоторезистор проходит малый ток, называемый темновым I т. При освещении фоторезистора через него идет общий ток I св.
Разность между общим и темновым токами называется фототоком I ф.
, (8.1)
В качестве полупроводника применяется сернистый свинец (фотоэлемент ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК).
Рис. 8.6. Фоторезистор: а) – устройство; б) – условное графическое и буквенное обозначение
Рис. 8.7. Фоторезистор: а) – схема соединения; б) – вольтамперная характеристика
Фоторезистор характеризуется интегральной чувствительностью к световому потоку, мкА/лм
, (8.2)
где I ф – фототок, мкА; Ф – световой поток, лм.
|
|
Зависимость фототока от напряжения при постоянном световом потоке представляет собой вольтамперную характеристику фоторезистора (рис. 8.7, б).
Фоторезисторы обладают значительной инерцией, нелинейной зависимостью фототока от светового потока (световая характеристика при ) и сильной зависимостью электрического сопротивления от температуры, что является их недостатком.
Фоторезисторы нашли широкое применение в промышленной электронике, автоматике, вычислительной технике.
Полупроводниковый фотоэлемент – представляют собой прибор, в котором под действием падающего на него излучения возникает ЭДС, называемая фото-ЭДС.
Фотодатчики используют в схемах защиты, обеспечивающих отключение установки при попадании в опасную зону обслуживающего персонала, для подсчета деталей, контроля целостности режущего инструмента.
Фотореле разрабатываются на базе фоторезисторов (рис. 8.8) и применяются для управления наружным освещением улиц, площадей, территорий предприятий.
Рис. 8.8. Схема электрическая принципиальная фотореле
Оптоэлектрические датчики. Оптроны и оптоэлектронные реле является одним из основных элементов оптоэлектроники, получивших распространение в последние годы. Он состоит из источника – светоизлучателя (светодиода) 1 (рис. 8.9) и приемника излучения (светочувствительного детектора, фотодиода, фототранзистора или фототиристора) 2, связанных оптической средой и конструктивно объединенных в одном корпусе (оптопара).
Рис. 8.9. Оптоэлектронное реле
Диодные оптопары характеризуются термостабильностью, линейностью характеристик и используются в быстропереключающихся схемах.
Герконы. Магнитоуправляемые контакты впаяны в стеклянную колбу, заполненную, азотом или инертным газом, т.е. изолированы от внешней среды (герметизированы), поэтому их называют сокращенно герконами, что значит герметизированные контакты.
Рис. 8.10. Герконы:
а) – герконовое реле; б) – герконовый путевой выключатель
Контакты 1 (рис. 8.10) изготавливают из сплава железа с никелем.
Если к стеклянной колбе 3 геркона поднести постоянный магнит 5 с полюсами N и S (рис. 8.10, б), то контакты 1 намагничиваются и притягиваются друг к другу. При перемещении магнита на некоторое расстояние контакты разомкнуться.
Герконовое реле. Если вместо постоянного магнита на стеклянную колбу 3 геркона расположить обмотку управления постоянного тока 4 (рис. 8.10, а), то при включении реле по обмотке катушки будет протекать ток, образуется магнитное поле, которое намагничивает контакты 1, в результате чего они притягиваются друг к другу и при этом замыкают цепь управления.
Герконы и герконовые реле отличаются малыми габаритами, незначительной массой, высокими быстродействием и надежностью, виброустойчивостью, стабильностью контактного сопротивления.
Датчики скорости. Для получения информации о частоте вращения электродвигателя применяются тахогенераторы постоянного и переменного тока, которые преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал.
Тахогенераторы. Тахогенераторы постоянного тока (рис. 8.11, а) представляют собой небольшие генераторы постоянного тока с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. Их устройство не отличается от устройства обычных машин постоянного тока. Основной характеристикой тахогенератора является зависимость выходного напряжения U вых от угловой скорости : .
Рис. 8.11. Электрические схемы тахогенераторов:
а) – постоянного тока; б) – переменного тока
Схема асинхронного тахогенератора переменного тока показана на рис. 8.11, б). Устройство таких тахогенераторов не отличается от устройства асинхронного однофазного двигателя.
|
|
Для измерения частоты вращения вал двигателя механически соединяется с валом тахогенератора посредством передачи или встраивается в машины.
Датчик Холла. Основан на эффекте Холла – электромагнитном эффекте, в основе которого лежит отклонение движущихся электронов в магнитном поле.
В магнитном поле на движущиеся электроны воздействует сила.
Вектор силы перпендикулярен направлению, как магнитной так и электрической составляющих поля.
Если внести в магнитное поле с индукцией В (рис. 8.12, а) полупроводниковую пластинку (например, из арсенида индия или антимонида индия), через которую протекает электрический ток, то на боковых сторонах, перпендикулярно направлению тока возникает разность потенциалов. Напряжение Холла (ЭДС Холла) пропорционально току и магнитной индукции.
Рис. 8.12. Датчик Холла: а) – эффект Холла; б) – датчик Холла
Датчик состоит из постоянного магнита 2, пластины полупроводника 1 (рис. 8.12, б) и интегральной микросхемы. Между пластинкой и магнитом имеется зазор. В зазоре датчика находится стальной экран 3. Когда в зазоре нет экрана 3, то на пластинку 1 полупроводника действует магнитное поле и с нее снимается разность потенциалов. Если же в зазоре находится экран, то магнитные силовые линии замыкаются через экран и на пластику не действует, в этом случае разность потенциалов на пластинке не возникает.
Интегральная микросхема преобразует разность потенциалов, создающуюся на пластинке, в отрицательные импульсы напряжения определенной величины на выходе датчика. Когда экран находится в зазоре датчика, то на его выходе будет напряжение , если же в зазоре датчика экрана нет, то напряжение на выходе датчика близкое к нулю.