§ 157. фотоелементів і фотореле
Фотоелементом називається прилад, в якому вплив промені-стій енергії оптичного діапазону викликає зміна його елек-тричних властивостей.
Фотоелементи поділяються на три типи: 1) із зовнішнім фотоефектом, 2) з внутрішнім фотоефектом, 3) із замикаючим шаром.
У фотоелементі із зовнішнім фотоефектом дію світла викли-кість вихід з поверхневого шару фотокатода електронів у зовн-неї простір - в вакуум або сильно розріджений газ.
Схема пристрою такого фотоелемента приведена на рис. 222, а. На внутрішню стінку скляної колби 1, з якої відкачано повітря, з одного боку нанесено фотокатод 2. Широке застосування отримали сурьмяно-цезієві фотокатоди. У центрі колби вакуум-ного фотоелемента укріплений металевий анод 3 у вигляді невеликі-шого кільця або пластинки. Колба забезпечена пластмасовим цоко-лем 4. У нижній частині цоколя знаходяться контактні штирі 5, до яких підводяться сполучні дроти від фотокатода і анода. За допомогою цих штирьків фотоелемент вставляється в фотоелементної панель.
Для роботи фотоелемента до його анода і катода підключають джерело електричної енергії - батарею.
Анод з'єднується з позитивним затискачем, а фотокатод - з негативним затискачем джерела електричної енергії.
Під дією підведеного до електродів фотоелемента напря-вання всередині нього утворюється електричне поле, і електрони, що вилітають з поверхні освітленого фотокатода, направляються на позитивно заряджений анод. Ці електрони створюють в ланцюзі
ставленням величини фотоструму (в мка або зла), одержуваного в ланцюзі, на одиницю світлового потоку (люмен), що падає на фотокатод.
Для збільшення чутливості фотоелементів всередину колби іноді вводять невелику кількість газу, найчастіше аргону. Такі фотоелементи називаються газонаповненими. Величина чутливості фотоелемента різних типів коливається від 20 до 150 мка / лм.
Для практичного використання фотоелементів важливе зна-чення має його вольт-амперна характеристика (рис. 222, б). Вона висловлює залежність фотоструму від величини прикладеного напря-вання до затискачів фотоелемента при незмінній величині світлового потоку, що висвітлює фотокатод.
Внутрішній опір вакуумних фотоелементів обчислює-ся сотнями мегом, а газонаповнених - декількома десятками мегом. Схема пристрою фотоелементів з внутрішнім фотоеффек-те, що носять назву фотосопротивлений (ФС) або фоторезист-рів, наведена на рис. 223, а.
Фотосопротівленіе являє собою скляну пластинку, покриту тонким шаром напівпровідникового матеріалу (сірчистого свинцю, сірчистого вісмуту, сірчистого кадмію), на якому розташовані струмопровідні електроди.
Сутність внутрішнього фотоефекту зводиться до наступного. Відомо, що електропровідність пов'язана з кількістю носите-лей заряду, який має той чи інший матеріал. У полупровод-никах кількість носіїв електричних зарядів може збільшуватися внаслідок поглинання енергії ззовні, зокрема під впливом світлової енергії.
Збільшення кількості носіїв електричних зарядів в мате-ріалі підвищує, його здатність проводити електричний струм.
В результаті цього зменшується електричний опір осве-щаемого матеріалу.
Відмітна особливість фотосопротивлений від фотоелемен-тов з зовнішнім фотоефектом полягає в тому, що при зовнішньому фотоефекті електрони покидають межі освітленого матеріалу, а при внутрішньому фотоефекті вони залишаються всередині матеріалу, збільшуючи тим самим кількість носіїв електричних зоря-дов.
Зміна провідності в напівпровідниках під впливом світла може бути дуже великим. У деяких матеріалах при переході від темряви до інтенсивного висвітлення опір зменшується в десятки разів і відповідно змінюється величина струму в ланцюзі фотосопротивлений (рис. 223, б).
Величина зміни опору, викликана впливом світлового потоку на фотосопротівленіе,
де # 916; r - зміна опору ФС, ом,
rт. - опір ФС в темряві, ом,
Число, що показує, у скільки разів rт більше rc. називається кратністю зміни опору ФС.
Воно може мати значення від 1,0 до 500. Чутливість їх оцінюється в мка при напрузі 1 в і становить 500 3000 мка / лм-в, отже, перевищує чутливість фото-елементів із зовнішнім фотоефектом. Тому в ряді пристроїв в даний час фотосопротівленіем замінені фотоелементи з зовнішнім фотоефектом.
Недоліком фотосопротивлений є те, що при їх освітленні фототок не відразу досягає свого кінцевого значення, а лише через деякий час (інерційність фотоелемента), то ж відноситься до нелінійної залежності фотоструму від сили світла, т. Е. Фототок возра-стає повільніше, ніж сила світла, яка висвітлює фотоелемент. Крім того, фототок залежить від температу-ри середовища (1-3% на 10 ° С). Послід-неї обставина ускладнює при-трансформаційних змін фотосопротивлений при великих змінах температури зовнішнього середовища.
Пристрій одного з фотоелементів з фотоефектом в замикаю-щем шарі, що носять назву вентильних фотоелементів, показано на рис. 224. На сталеве підстава
нанесений шар селену, на якому поміщається найтонша (тисячні частки мікрона) напівпрозора плівка з золота. Між полупро-водників і металом при обробці фотоелемента утворюється електронно-дірковий р - n-перехід.
Корпус фотоелемента, виготовлений з ізоляційного ма-ла, має два затиску.
Коли на світлочутливу поверхню фотоелемента пада-ють промені світла, вони, проникаючи крізь напівпрозору плівку метал-ла в напівпровідник - селен, звільняють в ньому електрони; по-следние проникають через р -n-перехід в металеву плівку і заряджають її негативним зарядом. При цьому опорний елек-Трод внаслідок відходу електронів заряджається позитивно. Під дією виниклої різниці потенціалів в ланцюзі елемента метушні-кає фототок.
Селенові фотоелементи мають високу чутливість (до 500 600 мка / лм).
Крім селену, для виготовлення вентильних фотоелементів при-міняють сірчистий талій, закис міді, сірчисте срібло, Герма-ний і кремній. Важливою відмінністю таких фотоелементів є можливість отримання значного фотоструму при освітленні їх поверхні без включення в ланцюг джерела електричної енергії.
освітленні фотокатода вилітають з його поверхні пер-первинних електрони під дією електричного поля, создавае-мого між анодом і фотокатодом, з великою швидкістю устрем-ляють до позитивно зарядженого анода. Так як анод виконаний у вигляді сітки, то більшість електронів пролітає крізь неї і з силою вдаряється об поверхню емітера. Кожен електрон, попа
дає на емітер, вибиває НЕ-скільки електронів з його поверх-ності. В результаті такої бом-бардіровкі емітера з його по-поверхні вилітає безліч вторинних електронів, число ко-торих в 7-10 разів перевищує ко-личество первинних електронів, вдаряються об катод.
Внаслідок того, що анод име-ет щодо емітера потен-циал U = 50 в і близько располо-дружин до нього, всі електрони потрапляють на анод і в його ланцюга виникає анодний струм, переви-шує в 7-10 разів фототок, утворений первинними електро-тронами, що вилітають з фото-катода. Утворений потік вторинних електронів можна, впливаючи на нього електричні-ським або магнітним полем, на-правити послідовно на НЕ-скільки (до 20) емітерів. В цьому випадку вийде ще більш значний, багаторазово усі-ний потік електронів (зусилля-ня до 10 8). Такий спосіб зусилля-ня фототока називають помножити-ням. З цієї причини прилади, в основі дії яких лежить
цей процес, називаються фотоумножителями.
На рис. 225, б показана схема четирехкаскадного фотоумножі-теля. Світлові промені через лінзу Л фокусуються на фотокатоде ФК1.
Потік первинних електронів з цього катода потрапляє на катод К2 (перший каскад посилення), що випромінює збільшений потік вторинних електронів. Цей потік електронів послідовно усі-ється на каскадах з катодами К3 і К4 і падає на анод фото-умножителя, який з'єднаний з електричним колом, що живиться через фотоумножувач.
Вихідний струм фотоумножителя відносно невеликий, що не біль-ше кількох десятків міліампер, так як призначення фото-умножітеля- не отримання великих вихідних струмів, а робота з гранично малими світловими потоками.
Фотоелементи широко використовуються в фотореле. Зазвичай фото-реле являє собою поєднання фотоелемента і електромагнітного реле (рис. 226).
До зажимів «Вхід» фотореле підключається джерело електричної енергії змінного струму 127-220 в. До зажимів «Вихід» приєднується об'єкт (навантаження), управ-ється за допомогою фо-Тореля.
Коли фотосопротівленіе затемнено, сила то-ка в його ланцюга дуже мала внаслідок того, що в темряві фотосопротівленіе володіє біль-шим опором (107-108 ом).
Завдяки розімкненим контактам електромагнітного реле через керований об'єкт ток також не протікає - він вимкнений.
Вельми часто для збіль-личен фотострумів ис-користується ламповий усі-Літел. В цьому випадку фотореле складається з фото-елемента, підсилювача і електромагнітного реле. Схема такого фотоелектр-тронного реле наведена на рис. 227.
У ланцюг анода підсилю-котельної лампи 1 включено електромагнітне реле 2, до контактів якого приєднується об'єкт, керований цим реле. Фотоелемент 3 підключається одним кінцем до сітки лампи, а іншим - до батареї 4.
При висвітленні фотоелемента на опорі R створюється падіння напруги і на сітці лампи підтримується отрицатель-ве напруга по відношенню до катода. Лампа в цьому випадку за-Перта, в ланцюзі анода струму немає.
Коли ж освітлення фотоелемента припиняється, через лампу в ланцюзі анода починає протікати струм і реле спрацьовує, замикаючи своїми контактами ланцюг об'єкта.
На рис. 228 приведена схема фотоелектричного автомата, який автоматично зупиняє ротаційну (друковану) машину при обриві паперу. Роботою автомата керують три фотосопротивления. У схему автомата включені: первинне електромагнітних-нітних реле Рі вторинне реле Р1 типу МКУ-48 з контактами, допу-скающімі навантаження до 1000 ва, і три освітлювальні лампи.
При обриві паперу світло потрапляє на одне або кілька фото-опорів. При цьому через первинне реле Р1 проходить доста-точної сили струм і його контакти замикаються. В результаті сраба-ють вторинне реле Р2. яке розмикає ланцюг двигуна ма-шини. Машина автоматично зупиняється.
1. Яке будова атомів германію?
2. Чим відрізняється електронна провідність напівпровідників від доречний?
3. За якої умови напівпровідниковий діод пропускає електричний струм?
4. Як влаштований селеновий вентиль?
5. Чим відрізняється випрямлена напруга до фільтра при однополуперіодним випрямленні?
6. Скільки р - n-переходів має напівпровідниковий тріод?
7. Назвіть і покажіть три основні схеми включення транзистора.
8. Як влаштований і діє фотоелемент із зовнішнім фотоефектом?
9. Для чого служить фотоумножувач?
10. З яких елементів складається фотоелектронний реле?