Фотоэлементы и фотореле

§ 157. ФОТОЭЛЕМЕНТЫ И ФОТОРЕЛЕ

Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучи­стой энергии оптического диапазона вызывает изменение его элек­трических свойств.

Фотоэлементы разделяются на три типа: 1) с внешним фото­эффектом, 2) с внутренним фотоэффектом, 3) с запирающим слоем.

В фотоэлементе с внешним фотоэффектом действие света вызы­вает выход из поверхностного слоя фотокатода электронов во внеш­нее пространство — в вакуум или сильно разреженный газ.

Схема устройства такого фотоэлемента приведена на рис. 222, а. На внутреннюю стенку стеклянной колбы 1, из которой откачан воздух, с одной стороны нанесен фотокатод 2. Широкое применение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды. В центре колбы вакуум­ного фотоэлемента укреплен металлический анод 3 в виде неболь­шого кольца или пластинки. Колба снабжена пластмассовым цоко­лем 4. В нижней части цоколя находятся контактные штырьки 5, к которым подводятся соединительные провода от фотокатода и анода. При помощи этих штырьков фотоэлемент вставляется в фотоэлементную панель.

Для работы фотоэлемента к его аноду и катоду подключают источник электрической энергии — батарею.

Анод соединяется с положительным зажимом, а фотокатод — с отрицательным зажимом источника электрической энергии.

Под действием подведенного к электродам фотоэлемента напря­жения внутри него образуется электрическое поле, и электроны, вылетающие с поверхности освещенного фотокатода, направляются на положительно заряженный анод. Эти электроны создают в  цепи

отношением величины фототока (в мка или зла), получаемого в цепи, на единицу светового потока (люмен),  падающего  на  фотокатод.

Для увеличения чувствительности фотоэлементов внутрь колбы иногда вводят небольшое количество газа, чаще всего аргона. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. Величина чувствительности фотоэлемента различных типов колеблется от 20 до 150 мка/лм.

Для практического использования фотоэлементов важное зна­чение имеет его вольт-амперная характеристика (рис. 222, б). Она выражает зависимость фототока от величины приложенного напря­жения к зажимам фотоэлемента при неизменной величине светового потока, освещающего фотокатод.

Внутреннее сопротивление вакуумных фотоэлементов исчисляет­ся сотнями мегом, а газонаполненных — несколькими десятками мегом. Схема устройства фотоэлементов с внутренним фотоэффек­том, носящих название фотосопротивлений (ФС) или фоторезисто­ров, приведена на рис. 223, а.

Фотосопротивление представляет собой стеклянную пластинку, покрытую тонким слоем полупроводникового материала (сернистого свинца, сернистого висмута, сернистого кадмия), на котором расположены токопроводящие электроды.

Сущность внутреннего фотоэффекта сводится к следующему. Известно, что электропроводимость связана с количеством носите­лей заряда, который имеет тот или иной материал. В полупровод­никах количество носителей электрических зарядов может увеличиваться вследствие поглощения энергии извне, в частности под воздействием световой энергии.

Увеличение количества носителей электрических зарядов в мате­риале  повышает,  его   способность  проводить  электрический   ток.

В результате этого уменьшается электрическое сопротивление осве­щаемого материала.

Отличительная особенность фотосопротивлений от фотоэлемен­тов с внешним фотоэффектом заключается в том, что при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещенного материала, а при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри материала, увеличивая тем самым количество носителей электрических заря­дов.

Изменение проводимости в полупроводниках под воздействием света может быть очень большим. В некоторых материалах при переходе от темноты к интенсивному освещению сопротивление уменьшается в десятки раз и соответственно изменяется величина тока в цепи фотосопротивлений (рис. 223, б).

Величина изменения сопротивления, вызванная воздействием светового потока на фотосопротивление,

где Δr — изменение сопротивления ФС, ом,

     r_т. — сопротивление ФС в темноте, ом,

    r_c — сопротивление ФС при его освещении, ом.

Число, показывающее, во сколько раз r_т больше r_c , называется кратностью изменения сопротивления ФС.

Оно может иметь значение от 1,0 до 500. Чувствительность их оценивается в мка при напряжении 1 в и составляет 500— 3000 мка/лм-в, следовательно, превышает чувствительность фото­элементов с внешним фотоэффектом. Поэтому в ряде устройств в настоящее   время    фотосопротивлениями заменены фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

Недостатком фотосопротивлений является то, что при их освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время (инерционность фотоэлемента), то же относится к нелинейной зависимости фототока от силы света, т. е. фототок возра­стает медленнее, чем сила света, освещающая фотоэлемент. Кроме того, фототок зависит от температу­ры среды (1—3% на 10°С). Послед­нее обстоятельство затрудняет при­менение фотосопротивлений при больших изменениях температуры внешней среды.

Устройство одного из фотоэле­ментов с фотоэффектом в запираю­щем слое, носящих название вентильных фотоэлементов, показано на рис. 224. На стальное основание

нанесен слой селена, на котором помещается тончайшая (тысячные доли микрона) полупрозрачная пленка из золота. Между полупро­водником и металлом при обработке фотоэлемента образуется электронно-дырочный р — n-переход.

Корпус фотоэлемента, изготовленный из изоляционного материа­ла, имеет два зажима.

Когда на светочувствительную поверхность фотоэлемента пада­ют лучи света, они, проникая сквозь полупрозрачную пленку метал­ла в полупроводник — селен, освобождают в нем электроны; по­следние проникают через р —n-переход в металлическую пленку и заряжают ее отрицательным зарядом. При этом опорный элек­трод вследствие ухода электронов заряжается положительно. Под действием возникшей разности потенциалов в цепи элемента возни­кает фототок.

Селеновые фотоэлементы обладают высокой чувствительностью (до 500— 600 мка/лм).

Кроме селена, для изготовления вентильных фотоэлементов при­меняют сернистый таллий, закись меди, сернистое серебро, герма­ний и кремний. Важным отличием таких фотоэлементов является возможность получения значительного фототока при освещении их поверхности без включения в цепь источника электрической энергии.

освещении фотокатода вылетающие с его поверхности пер­вичные электроны под действием электрического поля, создавае­мого между анодом и фотокатодом, с большой скоростью устрем­ляются к положительно заряженному аноду. Так как анод выполнен в виде сетки, то большинство электронов пролетает сквозь нее и с силой ударяется о поверхность эмиттера. Каждый электрон, попа-

дающий на эмиттер, выбивает не­сколько электронов с его поверх­ности. В результате такой бом­бардировки эмиттера с его по­верхности вылетает множество вторичных электронов, число ко­торых в 7—10 раз превышает ко­личество первичных электронов, ударяющихся об эмиттер.

Вследствие того, что анод име­ет относительно эмиттера потен­циал U = 50 в и близко располо­жен к нему, все электроны попадают на анод и в его цепи возникает анодный ток, превы­шающий в 7—10 раз фототок, образованный первичными элек­тронами, вылетающими из фото­катода. Образованный поток вторичных электронов можно, воздействуя на него электриче­ским или магнитным полем, на­править последовательно на не­сколько (до 20) эмиттеров. В этом случае получится еще более значительный, многократно уси­ленный поток электронов (усиле­ние до 10⁸). Такой способ усиле­ния фототока называют умноже­нием. По этой причине приборы, в основе действия которых лежит

этот процесс, называются фотоумножителями.

На рис. 225, б показана схема четырехкаскадного фотоумножи­теля. Световые лучи через линзу Л фокусируются на фотокатоде ФК₁.

Поток первичных электронов с этого катода попадает на катод К₂ (первый каскад усиления), излучающий увеличенный поток вторичных электронов. Этот поток электронов последовательно уси­ливается на каскадах с катодами К₃ и К₄ и падает на анод фото­умножителя, который соединен с электрической цепью, питаемой через фотоумножитель.

Применение фотоумножителей позволяет усилить ток в десятки миллионов раз. Однако при этом требуется высокое напряжение (1000—2000 в), так как разность потенциалов между каждой парой соседних эмиттеров должна составлять 100—200 в.

Выходной ток фотоумножителя относительно невелик, не боль­ше нескольких десятков миллиампер, так как назначение фото­умножителя— не получение больших выходных токов, а работа с предельно малыми световыми потоками.

Фотоэлементы широко используются в фотореле. Обычно фото­реле представляет собой сочетание фотоэлемента и электромагнитного реле (рис. 226).

К зажимам «Вход» фотореле подключается источник электрической энергии переменного тока 127—220 в. К зажимам «Выход» присоединяется объект (нагрузка), управ­ляемый при помощи фо­тореле.

Когда     фотосопротивление затемнено, сила то­ка в его цепи очень мала вследствие того, что в темноте фотосопротивление обладает боль­шим сопротивлением (107—108 ом).

Благодаря разомкнутым контактам электромагнитного реле через управляемый объект ток также не протекает — он выключен.

При освещении фотосопротивления его электрическое сопротив­ление резко уменьшается, через выпрямитель, обмотку электромаг­нитного реле и фотосопротивление проходит электрический ток. Якорь реле притягивается к сердечнику и замыкает через свои контакты цепь управляющего объекта — включается объект. По­скольку контакты электромагнитного реле телефонного типа не рассчитаны на большую мощность, то при необходимости управле­ния значительной мощностью контакты этого реле, замыкаясь, включают вторичное реле, пру­жины которого рассчита­ны на большую нагруз­ку— большую силу тока.

Весьма часто для уве­личения фототоков ис­пользуется ламповый уси­литель. В этом случае фотореле состоит из фото­элемента, усилителя и электромагнитного реле. Схема такого фотоэлек­тронного реле приведена на рис. 227.

В цепь анода усили­тельной лампы 1 включено электромагнитное реле 2, к контактам которого присоединяется объект, управляемый этим реле. Фотоэлемент 3 подключается одним концом к сетке лампы, а другим — к батарее 4.

При освещении фотоэлемента на сопротивлении R создается падение напряжения и на сетке лампы поддерживается отрицатель­ное напряжение по отношению к катоду. Лампа в этом случае за­перта, в цепи анода тока нет.

Когда же освещение фотоэлемента прекращается, через лампу в цепи анода начинает протекать ток и реле срабатывает, замыкая своими контактами цепь объекта.

На рис. 228 приведена схема фотоэлектрического автомата, который автоматически останавливает ротационную (печатную) машину при обрыве бумаги. Работой автомата управляют три фотосопротивления. В схему автомата включены: первичное электромаг­нитное реле Ри вторичное реле Р₁ типа МКУ-48 с контактами, допу­скающими нагрузку до 1000 ва, и три осветительные лампы.

При обрыве бумаги свет попадает на одно или несколько фото­сопротивлений. При этом через первичное реле Р₁ проходит доста­точной силы ток и его контакты замыкаются. В результате сраба­тывает вторичное реле Р₂, которое размыкает цепь двигателя ма­шины. Машина автоматически останавливается.

Контрольные вопросы

1.    Каково строение атомов германия?

2.    Чем отличается электронная проводимость полупроводников от дырочной?

3.    При каком условии полупроводниковый диод пропускает электрический ток?

4.    Как устроен селеновый вентиль?

5.    Чем отличается выпрямленное напряжение до фильтра при однополупериодном выпрямлении?

6.    Сколько р — n-переходов имеет полупроводниковый триод?

7.    Назовите и изобразите три основные схемы включения транзистора.

8.    Как устроен и действует фотоэлемент с внешним фотоэффектом?

9.    Для чего служит фотоумножитель?

10. Из каких элементов состоит фотоэлектронное реле?