Глава 4. Параметрические преобразователи

1. Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых величина выходного сигнала изменяется в зависимости от величины светового потока, падающего на преобразователь. Явление фотоэффекта было открыто русским ученым А.Г.Столетовым в 1888 г.

Фотоэлектрические преобразователи, или, как мы будем их называть в дальнейшем, фотоэлементы, подразделяются на три типа: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Они представляют собой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные баллоны, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выпол- няется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. В затем- ненном состоянии через фотоэлемент проходит темновой ток, как следствие термоэлектронной эмиссии (порядка 10 ^-12 А) и утечки между электродами (порядка 10^-10... 10^-7А). При освещении фото- катод под влиянием фотонов света эмитирует электроны. Если между анодом и катодомприложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток. При изменении освещенности фото- элемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответ- ственно фототек в этой цепи. Выходные токи вакуумных фотоэле- ментов не превышают нескольких микроампер. Значительное уси- ление тока фотоэмиссии (порядка 1 мА) получают в фотоумножи- телях.

Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеетопределенное газовое наполнение.Благодаря ионизации газа

происходит повышение чувствительности фотоэлемента и увели- чение тока фотоэмиссии. К газонаполненным фотоэлементам от- носятся, например, кислородно-цезиевыс типа ЦГ, к вакуумным – кислородно-цезиевые типа ЦВ и сурьмяно-цезиевыетипа СЦВ.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом, как правило, тре- буют применения усилителей, так как их мощность очень мала. Как видно из световых характеристик фотоэлементов различных типов (рис. 4.1), пропорциональность между фототоком и свето- вым потоком сохраняется не на всем протяжении кривых 1...3, что важноучитыватьдля получения линейной шкалы измери- тельного прибора.

80 ₂

1

40

3

0 0,1 0,2 0,3 0,4 Ф,лм

Рис. 4.1. Световая характеристика фотоэлементов: 1 – кислородно-цезиевого, газонаполненного; 2 – сурьмяно-цезиевого, вакуумного;

3 – кислородно-цезиевого, вакуумного

Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления, и он может достигать значения 6...7. Чувствительность газонаполнен- ных фотоэлементов значительно выше вакуумных и составляет 100...250 мкА/лм.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) вакуумных и газона- полненных фотоэлементов (рис. 4.2) имеют различный характер кривых насыщения. Преобразование светового потока в ток в ва- куумных фотоэлементах (рис. 4.2, а) зависит от напряжения пи- тания фотоэлемента весьма незначительно, а это значит, что в

данном случае динамическое сопротивление фотоэлемента оста- ется практически неизменным.

Чувствительность газонаполненных фотоэлементов (рис.4.2, б) сильно зависит от напряжения питания, поэтому оно должно ста- билизироваться и не превышать 100...240 В, так как выше этого значения идет область самостоятельного разряда.

ГЦ

I_ф,мкА ^Iф^/Ф,

мкА/лм

20 200

10

СЦВ

100

_а 50 100 U_Ф,В _б

100

200 U_Ф,В

Рис. 4.2. Вольтамперные характеристики фотоэлементов: а – вакуумных; б – газонаполненных

На практике широко используются вакуумные фотоэлементы, имеющие бесспорные преимущества перед газонаполненными: независимость в определенном диапазоне от питающего напря- жения, высокая температурная устойчивость, меньшая утомляе- мость и инерционность (преобразование светового потока в ток в них осуществляется практически безынерционно).

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисто- ры). Они представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, например из селенида кадмия, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Внутренний фотоэффект заключается в появлении свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит ато- мов, остающихся свободными внутри вещества. Появление сво- бодных электронов в материале, например в полупроводнике,

эквивалентно уменьшению электрического сопротивления. Фо- торезисторы имеют высокую чувствительность и линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Темновое сопротивление, чувствительность,инерционность зависятот температуры. Для уменьшения температурной погрешности рекомендуется фоторе- зисторы включать в смежные плечи моста.

Внутренний фотоэффект наиболее сильно выражен у таких полупроводников, как селен, сернистый свинец, сернистый кад- мий, селенид кадмия и др. В зависимости от силы света электри- ческое сопротивление фоторезистора изменяется от 100 до 1 кОм. Спектральная чувствительность определяется выбором материа- ла. Так, CdS (сульфид кадмия) обладает максимальной чувстви- тельностью в зеленой области спектра и поэтому особенно при- годен для применения в измерителях освещенности. В противо- положность этомумаксимум спектральной чувствительности CdSe (селенид кадмия) находится в красной области, а у фоторе- зисторов из PbSn PbSe (сульфид свинца и селенид свинца) – в ИК области. Фоторезисторы могут иметь самые разнообразные кон- структивные решения, обеспечивающие разнообразие возможно- стей применения. Они обладают высокой удельной чувствитель- ностью (до 7000 мкА/(лм В)) (что в некоторых случаях дает воз- можность обойтись без усилителей), низким температурным ко- эффициентом (0,002 1 /К), допускают сравнительно большую мощность рассеивания (0,6.,.0,7 Вт), имеют практически неогра- ниченный срок службы и достаточно стабильны. К недостаткам этих фотоэлементов можно отнести значительную инерционность и сравнительно высокий уровень шумов.

Фотогальванические преобразователи (фотодиоды и фото- транзисторы). Эти преобразователи представляют собой актив- ные светочувствительные полупроводники, создающие при по-

глощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое сво- бодные электроны и ЭДС. Фотодиоды (ФД) могут работать в двух режимах –фотодиодном и генераторном (вентильным).

Фототранзистор – полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большими числами p-n переходов, в которых совмещены фотодиод и усилитель фототока. Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические. Однако в фототранзисторах наличие второго р-п перехода увеличивает собственные шумы. Их чув- ствительность почти в два раза выше, чем у фотодиодов, и они обладают электрической и технологической совместимостью с интегральными схемами.

Вентильные фотоэлементы. Из них наибольшее распростра- нение получили селеновые и сернисто-серебряные. Эти фотоэле- менты обладают тем свойством, что под действием лучистой энергии они становятся источниками тока. По этому признаку их можно было бы отнести к генераторным преобразователям, одна- ко, чтобы не разбивать группу фотоэлектрических преобразова- телей, их целесообразнорассмотреть в данном подразделе.

Работу фотоэлементов можно оценить по следующим характе- ристикам:

• световая характеристика – зависимость фототока от интен- сивности светового потока, падающего на фотоэлемент I_Ф=f(Ф);

• спектральная характеристика – зависимость фототока от длины волны световых лучей I_Ф=f(λ);

• частотная (инерционная) характеристика – зависимость фототока от частоты изменения интенсивности падающего свето- вого потока: I_Ф=f(f_п);

• вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость фото-

тока от напряжения I_Ф=f (U);

• температурная характеристика – изменение фототока от температуры фотоэлемента I_Ф=f (tº). Однако от изменения темпе- ратуры зависит и спектральная характеристика фотоэлемента;

• усталость фотоэлемента – изменение характеристик фото- элементов в зависимости от времени его работы.

В генераторном (вентильном) режиме ФД сам является источ- ником тока. Высокая чувствительность вентильных фотоэлемен- тов во многих практических случаях вполне позволяет обойтись без усиления фототоков.

Наиболее распространенными являются селеновые, сернисто- серебряные и кремниевые фотоэлементы. У селеновых фотоэле- ментов чувствительность составляет примерно 400...500 мкА/лм, а у сернисто-серебряных – 7000 мкА/лм. Селеновые фотоэлемен- ты более стабильны и имеют большойсрок службы.

Чувствительность кремниевых фотоэлементов достигает 7000 мкА/лм. Они практически безынерционны (τ= 10 ^-6с), стабильны и имеют низкий уровень шумов. Сила тока на выходе преобразо- вателя с вентильным фотоэлементом на линейном участке харак- теристики (рис. 4.3) определяется по формуле.

I_вых=S_фФ;

где S_Ф – чувствительность фотоэлемента (с учетом нагрузки); Ф – световой поток.

I_Ф,мкА

400

300

200

100

50 Ом

100 Ом

1000 Ом

2000 Ом

0 0,5 1,0 Ф,лм

Рис. 4.3. Зависимость I=f(Ф) для кремниевого фотоэлемента

До освещенности 1000 лк чувствительность кремниевых фото- диодов постоянна и составляет 0,1...2 мкА/лк. Они имеют энерге- тический КПД до 11 %, поэтому применяются также для электро- питания электронных измерительных приборов, например в виде солнечных элементов кварцевыхчасов, батарей на спутникахит.д. Они могут использоватьсяпри температурах до 150°С.

Упрошенная принципиальная схема включения фотоэлемента в вентильном режиме приведена на рис. 4.4. Здесь измеритель И включается непосредственно к зажимам фотоэлемента VD, кото- рый под действием источника света Л является источником тока.

Л

VD

И

Рис. 4.4. Схема включения фотоэлемента в вентильном режиме

В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напря- жение. При отсутствии облучения под действием этого напряже- ния проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении р-n перехода этот ток линейно увеличивается в зависимости от интенсивности облучения. В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей или мостовые измерительные цепи, позволяющие уменьшить влияние дрейфа темнового тока. ФД по напряжению питания хо- рошо согласуются с полупроводниковыми электронными элемен- тами, поэтому используются в схемах совместно с операционны- ми усилителями. Фоторезисторы широко применяются в преоб- разователях перемещений. Принципиальная схема включения фотоэлемента в фотодиодном режиме представлена на рис. 4.5.

+U_a

R3

VD

_Л 3

4

7

R4 ^V

R1 R2

Рис. 4.5. Схема включения фотоэлемента в фотодиодном режиме

В зависимости от степени освещенности фотоэлемента меня- ются показания вольтметра V. Схемы с усилителями постоянного тока очень чувствительны к помехам и нестабильности напряже- ния источника питания. Это вызывает большие погрешности из- мерения. Поэтому для усиления фототоков часто применяют уси- лители переменного тока, которые менее чувствительны к поме- хам и нестабильности напряжения питания.

Кроме того, источниками погрешностей измерения являются: нестабильность напряжения источников питания фотоэлемента; нестабильность напряжения питания источников света, так как от напряжения зависит величина светового потока: изменение ха- рактеристики фотоэлементов во времени.

Для исключения этих погрешностей применяют дифференци- альные фотоэлектрические преобразователи. Наилучший резуль- тат дает применение дифференциальных преобразователей в ну- левом режиме метода сравнения(рис. 4.6).

Здесь распределение напряжения между двумя фотоэлемента- ми VD1 и VD2 определяется отношением падающих на них све- товых потоков и не зависит от абсолютного значенияпоследних.

Следует отметить, что избавление от погрешностей дает при- менение дифференциальныхпреобразователей лишь в нулевом режиме схемы сравнения. Погрешности, обусловленные измене- нием напряжения питания U фотоэлементов, а также изменением

характеристик фотоэлементов во времени у приборов с диффе- ренциальными преобразователями, работающими в неравновес- ном режиме, имеют место в той же мере, что и у приборов с не- дифференциальными преобразователями.

R1

VD1

Л

НИ

VD2

R2

U

Рис. 4.6. Дифференциальная схема включения преобразователей

Добиться исключения влияния непостоянства характеристик можно, если использовать дифференциальный преобразователь с одним фотоэлементом (рис. 4.7). Свет от лампы Л разделяется на два пучка. При помощи дополнительных зеркал 3 оба пучка по- падают на фотоэлемент VD. На пути обоих пучков света поме- щен вращающийся от синхронного двигателя Дв диск с зубцами Д. Диск выполнен таким образом, что его зубцы поочередно пе- ребивают то один, то другой пучок, модулируя таким образом световой поток.

Д 3

VD

^Л Дв

3

Рис. 4.7. Дифференциальный преобразователь с одним фотоэлементом

При равенстве световых потоков освещение фотоэлемента остается постоянным, при неравенстве световых потоков возни- кает переменная составляющая фототока, усиливаемая электрон- ной цепью.

Фотоэлектрические преобразователи в настоящее время широ- коприменяютдляизмеренияразличныхнеэлектрических величин, особенно в системах автоматического контроля и регулирования: температуры тела, качества поверхности, скорости вращения, кон- центрации растворов и т.д. Рассмотрим принцип использования фотоэлементов для измерения неэлектрическихвеличин.

Фотоэлектрические тахометры. Принцип действия фото- электрических тахометров состоит в измерении частоты пере- менного тока фотоэлемента, освещенного световым потоком, мо- дулированным вращающимся объектом измерения.

На рис. 4.8 изображен принцип использования фотоэлемента для измерения угловой скорости вращения ω_х вала. Здесь преры- вание светового потока, падающего на фотоэлемент VD от источ- ника питания Л, осуществляется с помощью диска Д с прорезями, который вращается вместе с валом. Далее сигнал усиливается ОУ, поступает на двоичный счетчик Ст2, дешифратор ДС.

+U_в

VD

R

^ωx

ОУ ^Ст2 ДС HL

Л

Рис. 4.8. Схема измерения угловой скорости вращения вала

Счетчик HL регистрируют число затемнений фотоэлемента, которое является функцией скорости вращения вала.

Нефелометры. Фотоэлектрические приборы, измеряющие мутность растворов, называются нефелометрами. На рис. 4.9 по- казана оптическая схема прибора для контроля мутности иссле- дуемой среды ИСметодом сравненияс образцовой средой ОС.

ОС

З2 ^Д2

_Л2 Л4

^Л ИС

Д1

ФС2

ФС1

_{31 Л1} Л3

Рис. 4.9. Схема прибора для контроля мутности растворов

Свет от источника Л при помощи зеркал 31 и 32 и линз Л1, Л2, Л3 и Л4 направляется через кювету с испытуемым раствором на фотосопротивление ФС1 через образцовую среду – на фотосо- противление ФС2. Д1 и Д2 – диафрагмы, регулирующие осве- щенность фотосопротивлений. Во время измерений величина со- противления ФС2 остается неизменной, величина же ФС1 изме- няется в зависимости от большего или меньшего поглощения светового потока исследуемой средой.

При изменении сопротивления ФС1, т.е. при увеличении мут- ности раствора ИС, в схему управления поступает сигнал о нарушении режима или управляющий импульс для приведения в действие регулирующего органа.

Фотоэлектрические расходомеры. Применение фотоэлемен- тов позволило создать ряд надежных и простых расходомеров жидкостей и газов.

На рис. 4.10 представлена принципиальная схема расходомера, принцип действия которого основан на автоматическом измерении длительностинаполнения объема определенной величины. Дей- ствие такого расходомера заключается в следующем: при дости- жении уровня нижнего фотосопротивления ФС1 жидкость погло- щает часть световой энергии, направленной на ФС1, его сопротив- лениевозрастает, реле Р1 выключается иего нормально замкнутые контакты 1Р1 запускают счетчик времени Сч. При заполнении жидкостью калиброванной трубки до уровня верхнего фотосопро- тивления ФС2 выключается реле Р2 и его контакты 1Р2 отключа- ют счетчик.

Л2

ФС1

Л1

P2

1Р2

				P1

Сч

1Р1

Рис. 4.10. Принципиальная схема расходомера

Объемный расход жидкости:

2

_d H _,

4

где d – внутренний диаметр трубы; Н – расстояние между оп- тическими осями ФС1 и ФС2; τ – время, отсчитанное счетчи- ком Сч.

При постоянном значении Н показания счетчика будут соот- ветствовать определенному расходу жидкости.