Фотоелементи і фотореле

§ 152. Фотоелементи і фотореле

Фотоелементом називається прилад, в якому вплив променевої енергії оптичного діапазону викликає зміна його електричних 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 викликає вихід з поверхневого шару фотокатода електронів у зовнішній простір - в вакуум або сильно розріджений газ.
Схема пристрою такого фотоелемента приведена на рис. 226, 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 вакуумного фотоелемента укріплений металевий анод 3 у вигляді невеликого кільця або пластинки. Колба забезпечена пластмасовим цоколем 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 напруги всередині нього утворюється електричне поле, і електрони, що вилітають з поверхні освітленого фотокатода, направляються на позитивно заряджений анод. Ці електрони створюють в ланцюзі анода електричний струм, який можна виміряти гальванометром. У паспорті фотоелемента вказується його чутливість, яка визначається відношенням величини фотоструму (в мка або ма), 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 значення має його вольт-амперна характеристика (рис. 226, б). Вона висловлює залежність фотоструму від величини прикладеної напруги до затискачів фотоелемента при незмінній величині світлового потоку, що висвітлює фотокатод.
Внутрішній опір вакуумних фотоелементів обчислюється сотнями мегом, а газонаповнених - декількома десятками мегом. Схема пристрою фотоелементів з внутрішнім фотоефектом, що носять назву фотосопротивлений (ФС), або фоторезисторов, наведена на рис. 227, 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 носіїв заряду, який має той чи інший матеріал. У напівпровідниках кількість носіїв електричних зарядів може збільшуватися внаслідок поглинання енергії ззовні, зокрема під впливом світлової енергії.
Збільшення кількості носіїв електричних зарядів в матеріалі підвищує його здатність проводити електричний струм. В результаті цього зменшується електричний опір освітлюється матеріалу.
Відмітна особливість фотосопротивлений від фотоелементів із 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 зарядів.
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. 227, б).
Величина зміни опору, викликана впливом світлового потоку на фотосопротівленіе,

де δr - зміна опору ФС, ом;
rт - опір ФС в темряві, ом;
rc - опір ФС при його освітленні, 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 фотоелементів 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 зростає повільніше, ніж сила світла, висвітлює фотоелемент. Крім, того, фототок залежить від температури середовища (1 - 3% на 10 ° С). Остання обставина ускладнює застосування фотосопротивлений при великих змінах температури зовнішнього середовища.
Пристрій одного з фотоелементів з фотоефектом в замикаючому шарі, що носять назву вентильних фотоелементів, показано на рис. 228. На сталеве підстава нанесено шар селену, на якому поміщається найтонша (тисячні частки мікрона) напівпрозора плівка з золота. Між напівпровідником і металом при обробці фотоелемента утворюється електронно-дірковий р - n-перехід.

Корпус фотоелемента, виготовлений з ізоляційного матеріалу, має два затиску.
Коли на світлочутливу поверхню фотоелемента падають промені світла, вони проникаючи крізь напівпрозору плівку металу в напівпровідник - селен, звільняють в ньому електрони останні проникають через р - n-перехід в металеву плівку і заряджають її негативним зарядом. При цьому опорний електрод внаслідок відходу електронів заряджається позитивно. Під дією виниклої різниці потенціалів в ланцюзі елемента виникає фотострум.
Селенові фотоелементи мають високу чутливість (до 500 - 600 мка / лм).
Крім селену, для виготовлення вентильних фотоелементів застосовують сірчистий талій, закис міді, сірчисте срібло, германій і кремній. Важливою відмінністю таких фотоелементів є можливість отримання значного фотоструму при освітленні їх поверхні без включення в ланцюг джерела електричної енергії.
Поряд з фотоелементами існують фотоелектронні прилади з внутрішнім посиленням фотоструму, що носять назву фотопомножувачів. Схема однієї з конструкцій фотоумножителя зображена на рис. 229, а.

У ланцюг анода підсилювальної 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 негативна напруга по відношенню до катода. Лампа в цьому випадку замкнені, 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. 232 приведена схема фотоелектричного автомата, який автоматично зупиняє ротаційну (друковану) машину при обриві паперу. Роботою автомата керують три фотосопротивления. У схему автомата включені: первинне електромагнітне реле P1 вторинне реле P2 типу МКУ-48 з контактами, допускають навантаження до 1000 ва. і три освітлювальні лампи.

При обриві паперу світло потрапляє на одне або кілька фотосопротивлений. При цьому через первинне реле P1 проходить достатньої сили струм і його контакти замикаються. В результаті спрацьовує вторинне реле P2 яке розмикає ланцюг двигуна машини. 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 і двопівперіодним випрямлянні?
6. Скільки р - п -переходів має напівпровідниковий тріод?
7. Назвіть і покажіть три основні схеми включення напівпровідникового тріода.
8. Як влаштований і діє фотоелемент із зовнішнім фотоефектом?
9. Для чого служить фотоумножувач?
10. З яких елементів складається фотоелектронний реле?