Основные теоретические сведения

Фотоэлектрическими приборами (фотоэлектрическими датчиками) называют преобразователи лучистой энергии, под воздействием которой изменяются электрические свойства этих приборов. Под лучистой понимают энергию электромагнитного излучения довольно широкого диапазона частот. Фотоэлектронные приборы – приемники в основном электромагнитных излучений оптического диапазона, к которому относятся ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения с длиной волны  от десятков нанометров до десятых долей миллиметра. Работа фотоэлектрических датчиков основана на явлении фотоэффекта.

Различают три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и вентильный.

Внешний фотоэффект – это фотоэлектронная эмиссия, т.е. выход электронов с поверхности некоторых металлов в окружающее пространство под воздействием лучистой энергии, проникающей в металл и сообщающей дополнительную энергию в виде квантов (фотонов) свободным электронам.

Внутренний фотоэффект – это генерация носителей зарядов, т.е. электронов и дырок. Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках, при освещении которых часть валентных электронов преодолевает запрещенную зону и переходит в зону проводимости, благодаря чему увеличивается концентрация свободных носителей заряда, а, следовательно, и проводимость вещества (фоторезисторы).

Вентильный фотоэффект – фотоэффект в запирающем слое, т.е. возникновение электродвижущей силы (фотоЭДС) в системе, состоящей из двух зон проводимости. На этом фотоэффекте основана работа фотодиодов, фототранзисторов и фототиристоров.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются двух типов: вакуумные и газонаполненные. Электровакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, в котором создан вакуум до 10^-4-10^-5Па. Внутри баллона помещены два электрода: фотокатод и анод. Катод наносят на внутреннюю полусферу баллона. Материалом служит цезий, активированный кислородом – кислородно-цезиевый катод (КЦВ); еще более распространены сурьмяно-цезиевые катоды (СЦВ). Анод обычно выполняется в виде металлического кольца, закрепленного в центре баллона, что позволяет свободно пропускать световой поток на катод.

Если к фотоэлементу приложено анодное напряжение Uа (рис. 1.2) плюсом к аноду, а минусом к фотокатоду и на фотокатод направить световой поток Ф, то под действием световой энергии с поверхности фотокатода начнут вылетать свободные электроны, устремляющиеся к положительно заряженному аноду и через фотоэлемент, а, следовательно, и по всей цепи, потечет фототок. Величина фототока пропорциональна световому потоку Зависимость фототока от светового потока Iф=f(Ф) при Ua=const – называется световой характеристикой фотоэлемента (рис. 1.3, кривая 1). У вакуумных фотоэлементов световая характеристика строго прямолинейна, так как число электронов, имитируемых фотокатодом, пропорционально освещенности (Е) фотокатода (освещенность Е= , где Ф – световой поток, лм, а S – площадь освещенной поверхности, см²).

Рис. 1.2. Схема включения фотоэлемента

Световая характеристика для фотодатчиков как элементов автоматики, является основной и называется статической характеристикой, устанавливающей зависимости Хвых=f(Хвх).

Рис. 1.3. Световые характеристики СЦВ-3 и ЦГ-3: 1 – СЦВ-3; 2 – ЦГ-3

Из электрических характеристик фотодатчиков основной является вольтамперная, т.е. зависимость Iф=f(Uа) при Ф=const. Вольтамперные характеристики используются для расчета электрических цепей, содержащих фотоэлектрические датчики, и имеют вид, показанный на рис. 1.4, кривая 1. У вакуумных фотодатчиков (СЦВ-3) при малых анодных напряжениях вольтамперные характеристики имеют крутой подъем, затем наступает насыщение, когда все электроны, излученные катодом, попадают на анод. Режим насыщения является рабочим режимом фотодатчика.

Одним из основных рабочих параметров фотоэлектрических датчиков является их чувствительность.

Рис. 1.4. Вольтамперные характеристики СЦВ-3 и ЦГ-3: 1 – СЦВ-3; 2 – ЦГ-3

Различают монохроматическую и интегральную чувствительность. Монохроматическая – это чувствительность к излучению одной частоты, а интегральная – к суммарному (неразложенному) световому потоку. Для линейной световой характеристики интегральная чувствительность определяется как статический коэффициент чувствительности фотодатчика К=, мкА/лм. Для нелинейной световой характеристики интегральная чувствительность должна определяться для конкретного значения светового потока, как динамический коэффициент чувствительности, т.е. К=ф=ф₀. Интегральная чувствительность фотодатчиков с кислородно-цезиевыми катодами составляет К=20-60мкА/лм, а у фотодатчиков с сурьмяно-цезиевыми катодами – К=80-180мкА/лм.

Устройство газонаполненных фотоэлементов аналогично вакуумным, отличие состоит в том, что после откачки воздуха в колбу вводят инертный газ (обычно аргон). Чувствительность газонаполненных фотоэлементов возрастает в несколько раз по сравнению с вакуумным за счет ионизации газа электронами фотокатода и составляет 100-300мкА/лм.

Световая характеристика газонаполненных фотоэлементов (рис. 1.3, кривая 2), при малых световых потоках является практически линейной, а при возрастании светового потока сверх 0,3лм становится существенно нелинейной. Поэтому при больших освещенностях газонаполненные фотоэлементы использовать не рекомендуется, другим их недостатком является значительная инерционность, обусловленная временем деионизации газа.

Вольтамперная характеристика газонаполненных фотодатчиков (ЦГ-3) показана на рис. 1.4, кривая 2. Фототок в газонаполненных фотодатчиках при малых напряжениях (до наступления ионизации газа) возрастает несколько медленнее, чем у вакуумных; после ионизации скорость возрастания фототока резко увеличивается и при больших анодных напряжениях тепловой разряд может перейти в тлеющий. В этом случае фотокатод, не рассчитанный на токи, соответствующие тлеющему разряду, может выйти из строя. Поэтому рабочее напряжение таких фотодатчиков может быть не более 220В.

Устройство фоторезистора показано на рис. 1.5. На стеклянной пластине 2 укрепляется фотоактивная пластинка или пленка 1, к которой прикреплены электроды 3 из золота или платины. Световая характеристика фоторезисторов при малых значениях светового потока практически линейна, с ростом светового потока увеличение фототока замедляется. Вольтамперная характеристика большинства фоторезисторов линейна при рабочих напряжениях. Фоторезисторы обладают значительной инерционностью. Время установления стационарной величины фотопроводимости называется временем фотоответа фоторезистора. Это время определяет максимально допустимую частоту модуляции светового потока и лежит в пределах tфс=10^-3-10^-4с, это соответствует частоте f=1-10кГц в зависимости от типа фоторезистора.

Полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, имеющий один «р-n» переход и фотодиод показан на рис. 1.6. Фотодиоды могут работать в двух режимах: 1) без внешнего источника питания (режим фотогенератора), 2) с внешним источником питания (режим фотопреобразователя).

В режиме фотопреобразователя напряжение на фотодиод подается в запирающем направлении, сопротивление которого зависит от воздействия на него лучистой энергии. Интегральная чувствительность фотодиодов очень высока и достигает 20мА/лм при незначительной инерционности, что позволяет широко применять фотодиоды в автоматике.

Фотодиоды, работающие в генераторном режиме, при подключении в цепь базы транзистора является основной частью фотореле. Фотореле управляется световым потоком и срабатывает при изменении освещенности фотодиода.

Рис. 1.5. Устройство фоторезистора

Рис. 1.6. Устройство фотодиода