Фотоэлектрическими называются преобразователи, изменяющие свои электрические характеристики под воздействием светового потока, функционально связанного с измеряемой неэлектрической величиной. Принцип действия фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) основан на явлении фотоэлектрического эффекта, открытого русским ученым А. Г. Столетовым в 1888 году.
Фотоэлектрическим эффектом называется явление преобразования световой энергии в электрическую. Оно осуществляется тремя различные способами, в связи с чем различают три разновидности проявления фотоэффекта: внешний, внутренний и вентильный.
Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия), при котором кванты излучения оптического спектра (фотоны), проникая в вещество и отдавая ему свою энергию, вызывают выход электронов из поверхностного слоя вещества.
К промышленным типам фотоэлементов с внешним фотоэффектом принадлежат фотоэлементы типа ЦГ (кислородноцезиевый газонаполненный), типа СЦВ (сурьмяноцезиевый вакуумный) и типа ЦВ (кислородноцезиевый вакуумный).
Световые характеристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом приведены на рис. 1 (для номинального напряжения 240 В).
В измерительной технике отдается предпочтение вакуумным фотоэлементам, обладающим меньшей по сравнению с газонаполненными инерционностью.
Рис. 1. Приведённые вольтамперные характеристики протяженных фотоэлементов с внешним фотоэффектом
Вакуумный фотоэлемент представляет собой двухэлектродную стеклянную лампу, из которой выкачан воздух. Анод лампы изготовлен в виде кольца. Катод является частью внутренней поверхности лампы. Он выполнен путём нанесения на нее слоя окисленного серебра, а затем тонкого слоя щелочноземельного металла цезия или химического соединения цезия и сурьмы. При освещении катода кванты выбивают с его поверхности электроны, которые образуют вокруг катода электронное облако. Если на электроды лампы подать напряжение соответствующей полярности, то под действием электрического поля находящиеся в пространстве перед катодом электроны начнут двигаться к положительно заряженному катоду, образуя фотоэлектрический ток iф в замкнутой внешней цепи. Фототок iф будет возрастать при увеличении светового потока Ф. Зависимость фототока от светового потока iф=f(Ф) называется световой характеристикой фотоэлемента.
В последнее время всё более широкое применение находят фотоэлектронные умножители, обладающее значительно большей чувствительностью, чем обычные фотоэлементы. В фотоумножителях используется принцип фототока посредством вторичной эмиссии электронов эмиттерами, расположенными в самом фотоумножителе.
В многокаскадных усилителях коэффициент усиления может достигать весьма больших значений. Например, интегральная чувствительность фотoyмнoжитeля ФЭУ-1С с тринадцатью эмиттерами достигает 1-2 А/лм при напряжении питания, равном 800 В.
Внутренний фотоэффект (фотосопротивление), проявляется в том, что освобождённые под действием квантов света электроны не покидают вещество, из атомов которого они вырваны, а остаются внутри вещества, увеличивая тем самым электрическую проводимость.
Внутренний фотоэффект наиболее сильно выражен у таких полупроводников, как селен, сернистый таллий, сернистый висмут, сернистый свинец и других.
Фотосопротивление изготавливается в виде стеклянной пластинки 1 (рис. 2), с находящимися на ней на расстоянии долей миллиметра параллельными желобками 3, заполненными проводящим материалом (золотом, платиной). Желобки образуют две группы электродов, присоединённых к электродам 4, к которым припаяны выводы 5, а на поверхность пластины нанесён тонкий слой 2 полупроводящего материала. При воздействии на вещество полупроводника квантами света из атомов вещества выбиваются электроны. Но энергия, сообщаемая при этом электронам, недостаточна для выхода электронов с поверхности вещества, поэтому они остаются в веществе в свободном состоянии, увеличивая его проводимость и соответственно уменьшая сопротивление.
При включении такого фотоэлемента в цепь с источником постоянного тока (рис. 3), сопротивление цепи будет зависеть от светового потока Ф, падающего на фотоэлемент.
Рис.2. Устройство
фотосопротивления
Рис. 3.Схема включения
фотосопротивления
Световые характеристики фотосопротивлений типа ФС-К1 и ФС-К2 (сернисто-кадмиевых) изображены на рис. 4.
Рис. 4. Световые (а) и вольтамперные (б) характеристики двух типов
сернисто-кадмиевых фотосопротивлений
При оценке фотосопротивлений пользуются понятием удельной чувствительности, отнесенной к 1В приложенного напряжения К0 = 1 мка/лм-В. Численные значения удельной чувствительности сернисто-свинцовых фотосопротивлений равны К0=400-500 мка/лм-В, а сернисто-кадмиевых - К0=2500-3000 мка/лм-В.
Вентильный фотоэффект заключается в появлении фото-ЭДС на границе некоторых полупроводников с металлами при воздействии на них светового потока. Существуют медно-закисные, сернисто-таллиевые, cepнисто-серебряные и кремниевые вентильные фотоэлементы.
Кремниевый фотоэлемент (рис. 5) изготавливается в виде пластинки 4 из кремния, обладающего n-проводимостью. Пластинка обрабатывается парами треххлористого бора, в результате чего на ее поверхности образуется тонкий слой 1 кремния с р-проводимостью. На тыльную сторону пластинки на n-слой и р-слой напыляются металлические электроды 2 и 3. При освещении лицевой поверхности пластинки свет поглощается в поверхностном слое и в результате чего образуются пары электрон-«дырка».
Рис. 5. Схема кремниевого фотоэлемента
Электроны и "дырки" перемещаются к р-n-переходу и на нем разделяются. Электроны свободно проходят через р-n-переход в кремний п- типа, заряжая пластинку отрицательно; "дырки" остаются в слое кремния р-типа, заряжая его положительно. Следовательно, между электродами 2 и 3 возникает разность потенциалов. При включении вентильного фотоэлемента в измерительную цепь, в ней будет протекать фототок, зависящий от величины светового потока. Световая характеристика фотоэлемента (рис. 6) линейна при коротком замыкании и нелинейна при нагрузке в цепи фотоэлемента. Напряжение холостого хода фотоэлемента может достигать величины 0,5-1 В при освещении его прямым солнечным светом. В режимах короткого замыкания фотоэлемент вырабатывает ток около 25 ма/см2, чувствительность его достигает величины K=25 ма/лм.
Рис. 6. Световые характеристики вентильного фотоэлемента
Фотоэлектрические преобразователи применяются для измерения различных неэлектрических величин. Рассмотрим для примера использование фотоэлектрического преобразователя в пирометрах - приборах для измерения температур от 400°С до 4000°С.
Принцип действия фотоэлектрического пирометра ФЭП-4 (рис. 7) заключается в том, что излучение от объекта измерения 12, вместе с излучением от эталонной лампы 4 в противофазе попадает на фотоэлемент 7. Разность этих световых потоков усиливается усилителем 8 и подаётся на выходной каскад 9, нагрузкой которого является эталонная лампа накаливания 4, последовательно с которой установлено калибровочное сопротивление 10. Падение напряжения на калибровочном сопротивлении изменяется электронным потенциометром 11, шкала которого проградуи-рована в единицах измерения температуры.
Пирометр предназначен для измерения температуры от 500°С до 4000°С. Основная погрешность не превышает ±1%, при измерении температуры не выше 2000°C и 1,5% - при температуре свыше 2000°C.
Рис. 7. Пирометр ФЭП-4: 1 - линза объекта, 2 - диафрагма, 3 - зеркало,
4 - лампа обратной связи, 5 - светофильтр, 6 - окуляр, 7 - фотоэлемент,
8 - усилитель, 9 - выходной каскад, 10 - калибровочное сопротивление,
П - потенциометр, 12 - объект измерения температуры.
Литература
1. Сошинов А.Г. Преобразователи неэлектрических величин: Учеб. пособие/ ВолгГТУ, Волгоград, 2002.
2. Фремке А. В., Душин Е. М. Электрические измерения. - Л.: Энергия, 1980.
3. Фарзане Н. Г. и др. Технологические измерения и приборы. - М.: Высшая школа, 1989.
4. Жарковский Б. И. Приборы автоматического контроля и регулирования. - М.: Высшая школа, 1989.
5. Сацукевич М. Ф. Измерительные приборы и их использование. -Минск.: Беларусь, I987.
6. Котур B. М. и др. Электрические измерения и электроизмерительные приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1986.