Фотоэлементы служат для преобразования энергии света в электрическую энергию. Они разделяются на фотоэлементы с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления) и фотоэлементы с запирающим слоем (вентильные фотоэлементы). В последнее время получили распространение также фоточувствительные полупроводниковые приборы — фотодиоды и фототриоды.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой вакуумные или газонаполненные двухэлектродные лампы с холодным катодом. На часть внутренней поверхности стеклянного баллона лампы напыляется фотокатод — вещество, способное под действием света испускать электроны. Наибольшее распространение получили кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Анод обычно выполняется в виде тонкого проволочного кольца, расположенного в середине баллона.
Основные данные фотоэлементов с внешним фотоэффектом приведены в таблице 40.
Фотосопротивления — это полупроводниковые сопротивления, обладающие большой чувствительностью к освещенности. Применяются сопротивления из серных соединений свинца, висмута, кадмия. При отсутствии освещенности такие сопротивления имеют величину от десятков тысяч ом примерно до 10 Мом.
Маркировка фотосопротивлений: первый элемент — буквы ФС — фотосопротивление; второй элемент — буква, указывающая светочувствительный материал: А — сернистый свинец, К — сернистый кадмий, Д — селенид кадмия; третий элемент — цифра или буквы с цифрой, присвоенные конструктивному оформлению фотосопротивления. В частности, при герметичной конструкции перед цифрой ставится буква Г. Основные параметры фотосопротивлений приведены в таблице 41.
В фотодиодах и фототриодах используется чувствительность к световому потоку электроно-дырочного перехода в полупроводниковых кристаллах. Диод включают в цепь источника тока в направлении обратной проводимости. При отсутствии светового потока ФсВ в цепи нагрузки протекает небольшой ток обратной проводимости — темновой ток. Если зона электронно-дырочного р-д-перехода освещается, то ток возрастает примерно пропорционально величине светового потока Фсв. У германиевых фотодиодов темновой ток имеет величину 10—30 мка, а ток при освещении — несколько сотен микроампер.
Фототранзистор, поскольку ток в цепи основания равен нулю, при отсутствии светового потока заперт и его темновой ток мал. Световой поток вызывает появление тока в нагрузке.
Чувствительность к световому потоку у фототранзи- стора значительно выше, чем у фотодиода, за счет эффекта внутреннего усиления.
Чувствительность фотодиодов и фототранзисторов сильно зависит от спектрального состава светового потока. Максимум чувствительности лежит за пределами видимого излучения в инфракрасной области. Фотодиоды и фототранзисторы обладают сравнительно малой инерционностью — 10 мксек.
Основные параметры некоторых типов фотодиодов и фототриодов приведены в таблице 42.
Вентильный фотоэлемент состоит из металлического электрода (основание), на который наносится слой полупроводника. На поверхность полупроводника напыляется тонкий полупрозрачный слой металла, являющийся вторым электродом фотоэлемента При соответствующей термической обработке между полупроводником и металлом возникает запорный слой, пропускающий электроны только в одном направлении. При освещении фотоэлемента со стороны полупрозрачного слоя на электродах фотоэлемента возникает э.д.с.
|
Таблица 42 Фотодиоды и фототриоды
|
|
Таблица 43 Вентильные фотоэлементы
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Применяются несколько типов вентильных фотоэлементов: медно-закисные, селеновые, серно-таллиевые, сернисто-серебряные. Достоинством вентильных фотоэлементов является высокая чувствительность и собственная э.д.с. Поэтому их можно использовать во многих схемах без источника питания.
Основные параметры некоторых типов вентильных фотоэлементов приведены в таблице 43.
Поскольку фотоэлементы, используемые в качестве фотодатчиков, дают слишком малый гок, чтобы привести в действие те или иные исполнительные устройства, возникает необходимость в усилении фотогока с помощью усилительных устройств. Сочетание фотоэлемента с электронным усилителем, на выходе которого включено электромеханическое реле, приводит к созданию фотоэлектронного реле или фотореле.
При планировании практических работ руководитель должен заранее сделать выбор тех приборов и устройств, которые предстоит изготовить на занятиях, и составить технические требования будущих приборов, распределить работу между кружковцами.
Фотоэлектронные устройства и фотореле широко применяются в автоматике и телемеханике. В распоряжении у руководителя кружка имеется широкий выбор схем и конструкций, которые он может предложить своим воспитанникам.
Рекомендуемая тематика включает в себя изготовление различных типов фотореле, фотосчетчиков, автоматических фотометров, моделей следящих систем на фотоэлементах, фотоэлектрических устройств для контроля производственных процессов и определения прозрачности среды, устройств автоматической защиты и сигнализации на фотореле; изготовление фототира, фототелефона, моделей лазера и турникета для метро и др.
Кружковцы под руководством преподавателя решают конструктивные задачи. Приборы для практических работ должны иметь характер учебно-наглядных пособий, демонстрирующих принцип действия того или иного устройства, автоматики, или иметь форму блоков, выполняющих отдельные функции комплексного устройства.
Рекомендуется силами кружковцев подготовить несколько докладов, в которых будут представлены на общее обсуждение проекты автоматических устройств. Вычерчивается блок-схема, принципиальная схема и эскиз конструкции автоматического устройства; составляется короткая пояснительная записка. После того как проект доклада будет готов, руководитель рецензируем его и дает замечания. Продолжительность доклада 15— 20 мин. Доклад может быть подготовлен двумя или гремя ребятами в зависимости от сложности выбранною ими автомата. Руководитель должен, предварительно побеседовав и установив степень сложности проекта, зная наклонности ребят, определить, кто из данной группы будет готовить графический материал, кго будет изготовить пояснительную записку, а кто будет прорабатывать конструкцию.
Выбрать нужную схему поможет приводимый ниже перечень статей с описаниями фотоэлектронных устройств
1. «Радио», № 2, 1968. Прибор для определения мутности раствора. Прибор предназначен для определения мутности раствора по изменению интенсивности света, проходящего через раствор.
2. «Радио», № 2, 1968. Часы-полуавтомат для подачи школьных звонков.
- «Радио», № 4, 1968 Фотореле со звуковой сигнализацией.
- «Радио», № 8, 1968 Реле времени для фотопечати. Приводится схема реле времени с автоматической установкой выдержки на основании показаний фоточувствительного элемента.
- «Радио», № 8, 1969. Реле времени на фоторезисторах.
- «Радио», № 9, 1969. В. Шилов Неоновая лампа в фотореле.
- «Радио», № 10, 1969 Фотореле с тиратроном МТХ-90.
- «Радио», № 12, 1969. Новогодние гирлянды, В статье приведены схемы переключающих устройств с использованием фоторезисторов.
- «Радио», № 2, 1970. Фототранзистор — индикатор дыма.
- «Радио», № 9, 1970. Э. Тарасов Свет управляет моделью.
- «Радио», № 9, 1970. Автомат включения уличного освещения.
- «Радио», № 4, 1971. Бесконтактный тиристорный выключатель. Управление устройством осуществляется с помощью фоточувствительного элемента.
- «Радио», № 4, 1971. Автостоп в магнитофоне.
- «Радио», № 5, 1972. Ю. Пистогов. Автомат включения освещения.
- «Радио», № 6, 1972. В. Вознюк. Пингвин идет на свет. В статье дается описание электронной игрушки, управляемой с помощью света.
- «Радио», № 8, 1972. С. Бирюков. Автомат — выключатель освещения. Описываемое устройство используется для автоматического включения и выключения освещения в небольших помещениях.
- «Радио», № 8, 1972. Счетчик фотовспышек.
- «Моделист-конструктор», № 1, 3, 4, 5, 1969. Опыты с черепахой.
- «Моделист-конструктор», № 7, 1969 Полуавтомат для кинопроектора. Приводится схема устройства, позволяющего автоматически прервать демонстрацию фильма включением света в классе.
- «Моделист-конструктор», № 10, 1969. Микроклимат в аквариуме. Приводится схема регулятора температуры на фотоэлементе.
- «Моделист-конструктор», № 12, 1969. Луч—ключ. В статье приводится схема фотоэлектронного замка.
- «Моделист-конструктор», № 7, 1970. Устройство «Пульс». Для преобразования данных о пульсе в электрический сигнал используется фотоэлектрический датчик
- «Моделист-конструктор», N° 7, 1970. Лазер «КЮГ-1».
- «Моделист-конструктор», JMb 7, 1970. Луч попадает в «десятку». Приводится описание фототира.
- «Моделист-конструктоп», № 1, 1971. Ориентир — Солнце. Описываемое устройство автоматически наводится на Солнце.
- «Моделист-конструктор», N° 3, 1972. Фотоэлемент на конвейере.
- «Моделист-конструктор», № 6, 1972 «Кошкин глаз» или один безусловный рефлекс. Описано устройство моделирующее реакцию на свет.