Приемники излучения фотоэлектрических датчиков

К приемникам излучения на основе внешнего фотоэффек­та относятся электровакуумные или газонаполненные фотоэлемен­ты, фотоэлектронные умножители и передающие электронно-луче-

вые трубки. К приемникам излучения на ос­нове внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Все приемники излучения являются элект­ронными и полупроводниковыми прибора­ми и изучаются в курсе электроники. Здесь будут рассмотрены только краткие физиче­ские основы их работы и характеристики тех приемников излучения, которые нашли применение в системах автоматики.

На рис. 12.2 приведена схема включе­ния вакуумного фотоэлемента. Анод А и катод К фотоэлемента находятся в стек-

лянном баллоне, из которого откачай воздух. Когда световой по­ток падает на катод, покрытый активным слоем, электроны полу­чают энергию, позволяющую им вылететь из катода. Это явление называется фотоэлектронной эмиссией. Под действием источника В приемниках светового потока фотоэлектрических датчиков используется фотоэффект. Под фотоэффектом понимают изменение свойств материала при изменении его освещенности. Различают внешний, внутренний и вентильный фотоэффект. Внешний фотоэф­фект состоит в том, что под влиянием потока излучения электроны вылетают из катода электронной лампы и ток эмиссии зависит от освещенности катода. Внутренний фотоэффект проявляется в том, что активное сопротивление полупроводникового материала зави­сит от его освещенности. При вентильном фотоэффекте между сло­ями освещенного проводника и неосвещенного полупроводника, раз­деленных тонким изоляционным слоем, возникает ЭДС, которая зависит от освещенности. При внешнем фотоэффекте носители то­ка выходят за пределы материала, при внутреннем — остаются внутри полупроводника. Вентильный фотоэффект, строго говоря, тоже является внутренним фотоэффектом.

Все фотоэлектрические датчики являются селективными (изби­рательными), т. е. их чувствительность зависит от частоты свето­вого излучения. Иными словами, эти датчики реагируют на опре­деленный цвет: красный, зеленый, синий или другой, включая и невидимую часть спектра (инфракрасное и ультрафиолетовое из­лучения). Диапазон длин волн видимого света =0,38 0,78 мкм. Более короткие волны относятся к ультрафиолетовому диапазону, более длинные — к инфракрасному.

питания с ЭДС Е между катодом и анодом создается электриче­ское поле, которое и заставляет электроны перемещаться от ка­тода к аноду. В электрической цепи создается электрический ток, называемый фототоком. Когда действие света прекращается, ток в фотоэлементе и внешней электрической цепи исчезает.

Зависимость фототока от светового потока называется световой характеристикой. Эта характеристика при постоянных значениях Е и R практически линеиная. Фотоэлемент характеризуется также чувствительностью, которая равна отношению фототока (в микро­амперах) к световому потоку (в люменах). В газонаполненных фотоэлементах благодаря ионизации молекул газа, заполняющего баллон, фототок увеличивается. Поэтому чувствительность газона­полненных фотоэлементов больше, чем у вакуумных. Однако све­товая характеристика вакуумного фотоэлемента более стабильна, менее зависима от колебаний напряжения питания, чем у газона­полненных элементов. Поэтому для целей автоматического изме­рения чаще применяются вакуумные фотоэлементы.

Промышленностью серийно выпускаются электровакуумные фо­тоэлементы типа СЦВ (сурьмяно-цезиевый, вакуумный) и типа Ф разных модификаций. Например, фотоэлемент типа Ф-1 имеет наи­лучшую чувствительность при =0,215 мкм, Ф-3 — при = =0,750 мкм, Ф-5 — при = 1,1 мкм. Это означает, что фотоэлемент Ф-1 реагирует на ультрафиолетовое излучение, Ф-3 — на видимый свет, Ф-5 — на инфракрасный цвет. Фотоэлементы работоспособны и при других длинах волн, но выходной сигнал при этом будет меньше. На рис. 12.3, а показан фотоэлемент типа СЦВ-4, имею­щий размеры диаметр 27 мм и длину 62 мм и интегральную чув­ствительность 80 мкА/лм. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в отличие от фотоэлементов имеют дополнительные электроды. Бла­годаря вторичной эмиссии электронов из этих электродов чувстви­тельность ФЭУ во много раз превышает чувствительность фотоэле­ментов. Однако для ФЭУ требуется и значительно большее напря­жение питания.

Фоторезистор состоит из светочувствительного слоя полупровод­ника толщиной около микрометра, нанесенного на стеклянную или кварцевую пластинку. Токосъемные электроды выполнены с приме­нением драгоценных металлов. При внутреннем фотоэффекте под действием светового потока в полупроводнике появляются допол­нительные свободные электроны, благодаря чему увеличивается электропроводность, а сопротивление фоторезистора уменьшается.

Промышленностью выпускаются фоторезисторы типов СФ, ФР, ФС различных модификаций. В них используются полупроводнико­вые материалы: сернистый кадмий, сернистый свинец, германий, индий и др.

На рис. 12.3, б, в, г показан внешний вид некоторых фоторези­сторов, а на рис. 12.3, д — спектральные характеристики фоторе­зисторов из некоторых полупроводниковых материалов. По верти­кальной оси отложена чувствительность в относительных единицах, а по горизонтальной — длина волны монохроматического (т. е. определенного цвета) светового потока. Вид кривой (острый пик или пологая вершина) зависит и от технологии изготовления полу­проводникового материала.

Надо отметить, что чувствительность схем с фоторезисторами во много раз больше, чем схем с фотоэлементами. Например, фо­торезистор типа СФЗ-2А имеет в освещенном состоянии ток в 3 мА. При отсутствии света и напряжении на фоторезисторе в 10 В через него протекает ток в 2 мкА. Таким образом, кратность изменения сопротивления может достигать 3-10^-3/(2-10^-6) = 1500.

Для автоматического измерения фоторезисторы используют ча­ще всего в мостовой схеме. Для исключения погрешности из-за по­тока излучения фона в Два плеча моста включают одинаковые фоторезисторы, один из которых воспринимает только излучение фона, а другой освещается одновременно измеряемым объектом и фоном.

К недостаткам фоторезисторов следует отнести их инерцион­ность. Она заключается в том, что при освещении фоторезистора фототок не сразу достигает своего конечного значения, а при пре­кращении освещения ток снижается до первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. По­стоянная времени фоторезисторов составляет десятые и сотые доли секунды. Еще один недостаток фоторезисторов — зависимость со­противления от температуры.

Фотодиодами называются полупроводниковые приборы, осно­ванные на внутреннем фотоэффекте и использующие односторон­нюю проводимость р-п-перехода.

Различают два режима работы фотодиодов: фотогальваниче­ский и фотодиодный. В фотогальваническом режиме не требуется источник питания, поскольку при освещении р-л-перехода появля­ется ЭДС, под действием которой возникает ток во внешней цепи. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию;

При освещенности в 8-10³ лк фотоЭДС составляет около 0,1 В. В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение обратной поляр­ности, т. е. такое, при котором обычный диод не проводил бы ток. При освещении фотодио­да (его п-области) обратный ток резко увеличивается, фо­тодиод начинает проводить ток в обратном направлении.

Промышленностью выпус каются фотодиоды типа ФД различных модификации. В качестве материала чувствительного слоя используются германий, крем­ний, селен. На рис. 12.4, а, б показаны конструкции некоторых фотодиодов, на рис. 12.4, в — его устройство. На металлическую пластинку 1 наносится слой полупроводника 2, поверх которого осаждается полупрозрачная пленка золота 3. Между золотой пленкой и полупроводником создается запирающий слой. Поверх пленки 3 накладывается защитный слой прозрачного лака 4. С внешней цепью фотодиод соединяется с помощью выводов, одним из которых является контактное металлическое кольцо 5.

При замыкании фотодиода на сопротивление нагрузки по внеш­ней цепи потечет ток, зависящий от светового потока. Такой ре­жим работы фотодиода называется фотогальваническим. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электроэнергию. Чувствительность фотодиода к суммарному свето­вому потоку при коротком замыкании селеновых фотоэлементов довольно велика и составляет 0,5 мА на 1 лм. При увеличении внешнего сопротивления в цепи фотодиода его чувствительность падает. Инерционность фотодиодов примерно на порядок меньше, чем у фоторезисторов.

Фотодиоды чаще используются не для целей автоматического измерения, а в схемах фотореле; Для этих же целей используются и фототранзисторы, совмещающее свойства фотодиода и усили­тельного транзистора.