ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

Фотоэлектрические преобразователи предназначены для преобразования светового излучения в электрический сигнал.

Работа их основана на том, что при падении на поверхность некоторых тел световые лучи сообщают часть своей энергии электронам, переводя их с одних электронных уровней на другие, следствием чего является выход электронов на поверхность тела или переход их из состояния, связанного с атомами, в свободное состояние.

Явление выхода электронов на поверхность металлов под действием световых лучей называется фотоэлектронной эмиссией. Если сообщить эмитируемым электронам упорядоченное движение, поместив эмитирующую поверхность в электрическое поле, то получим электрический ток, называемый фототоком. Очевидно, фототок может возникать не только за счет эмитируемых на поверхность электронов, но также за счет электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атома и остающихся свободными внутри вещества.

Известно три вида фотоэффекта: внешний, внутренний и в запирающем слое.

Внешний фотоэффект заключается в возникновении фотоэлектронной эмиссии на поверхности металлического электрода, освещаемого световыми лучами. Упорядоченное движение фотоэлектронам сообщается при помощи электрического поля, создаваемого между электродами. Поверхность одного из них является эмитирующей. Она покрывается металлом, обладающим повышенным фотоэффектом. К числу таких металлов относятся цезий, рубидий, торий, натрий и т.д. На рис. 6.1 показано принципиальное устройство фотоэлемента и его включение в измерительную схему. Тонкий эмитирующий слой 1 металла, например цезия, наносят на пленку 2 окисла этого металла, которая, в свою очередь покрывает серебряное зеркало 3, находящееся на внутренней поверхности стеклянного баллона 4. Световой луч 5 попадает на эмитирующую поверхность через окно в стеклянном баллоне. Положительный заряд батареи присоединяется к аноду 6, а отрицательный – к эмитирующему слою металла 1, являющемуся катодом.

1-эмитирующий слой металла (катод); 2-пленка окисла; 3-зеркало;

4 – стеклянный баллон; 5 – световой луч; 6-анод.

Фотоэлементы с внешними фотоэффектом бывают вакуумные и газонаполненные. В первом случае фототок обусловлен только фотоэлектронами, тогда как во втором случае фотоэлектроны вызывают ионизацию газа (обычно аргон при давлении, равном сотым долям миллиметра ртутного столба), вследствие чего общий фототок возрастает (см. рис. 6.2а)

Столетов установил, что фотоэлектрический ток при постоянном спектральном составе пропорционален интенсивности света. Другими словами, если I_ф-сила фототока, а Ф - световой поток, падающий на фотоэлемент, что при постоянном приложенном напряжении (см. рис. 6.1) получим:

где k – коэффициент, характеризующий чувствительность фотоэлемента.

На рис. 6.2а показана зависимость силы фототока I_ф от светового потока Ф при различных значения напряжения, подтверждающие установленную Столетовым зависимость (6.1).

Дальнейшие исследования показали большую зависимость фототока от спектрального состава света, причем было установлено, что световые лучи некоторых длин волн вовсе не вызывают фотоэффекта.

Рис. 6.2: а - световые характеристики фотоэлементов при различных значениях напряжения. б – вольтамперные характеристики фотоэлементов при различной величине светового потока.

Эйнштейн установил закон, по которому энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающих лучей, т.е.

- граничная частота лучей, при которой фотоэффект отсутствует.

Формулу (6.2) может записать следующим образом:

Другой характеристикой важной при практическом использовании фотоэлементов является вольт-амперная характеристика (см.рис.6.2 б). Вольтамперная характеристика фотоэлементов – это зависимость величины фототока I_ф от величины приложенного напряжения Uф.

Из рис. 6.2б видно, что при малых напряжениях чувствительность вакуумных фотоэлементов выше за счет отсутствия потерь на соударение с молекулами инертного газа. При увеличении напряжения Uф резко возрастает чувствительность газонаполненных фотоэлементов за счет появления дополнительных носителей от ударной ионизации. При больших напряжениях Uф вакуумные фотоэлементы некритичны к колебаниям питающего напряжения.

Чувствительность вакуумных фотоэлементов характеризуется удельной интегральной чувствительностью которая определяется отношением:

Вакуумные двухэлектродные фотоэлементы являются практически безинертными приборами с весьма малым темновым током. Темновой ток вакуумного фотоэлемента составляет примерно одну тысячную долю от максимально допустимого выходного тока.

Основной недостаток вакуумных фотоэлементов – их низкая чувствительность с (единицы или десятки мкА/лм) при небольшом внутреннем сопротивлении. Допустимые выходные токи вакуумных фотоэлементов не превышают 10-20 мкА. Это требует применение чувствительных электронных усилителей.

В качестве примера рассмотрим схемы на рис. 6.3 а,б.

Схемы на рис. 6.3 представляют собой фотореле. В первой схеме при отсутствии засветки на сетке триода Л1 будет запирающий отрицательный потенциал. Ток анода Л1 стремится к нулю, реле отключено. При засветке, за счет появления тока через фотоэлемент, потенциал сетки становится более положительным. Триод открывается, и при достижении тока в цепи анода равного току срабатывания реле, последнее включается замыкая контакты К1.1. Смена мест включения фотоэлемента и Rс во второй схеме позволяет получить фотореле работающее на затемнение.

Внутренний фотоэффект заключается в изменении электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов при облучении их световыми лучами. К таким материалам относятся селен, сера, сплав сульфида таллия с окисью таллия и сернистый свинец.

Рис. 6.3. а - схема включения фотоэлемента при работе на засветку.

б - схема включения фотоэлемента при работе на затемнение.

При освещении полупроводниковых материалов энергия световых квантов затрачивается на освобождение связанных с атомами электронов и на перевод их в свободное состояние. Увеличение количества свободных электронов эквивалентно уменьшению электрического сопротивления полупроводников. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом получили название фоторезисторов.

Изменение сопротивления фоторезисторов пропорционально интенсивности падающего светового потока. Зависимость силы фототока от светового потока Ф, называемая световой характеристикой фоторезистора, определяется выражением:

где

-постоянный коэффициент, зависящий от материала фоторезистора.

Световая характеристика фоторезистора показана на рис. 4

Вольт-амперная характеристика фоторезистора это зависимость фототока от величины приложенного напряжения при постоянном значении светового потока.

В общем случае вольт-амперная характеристика нелинейна, но за счет того, что конструкция фоторезисторов обеспечивает хороший отвод тепла с тонкого фоточувтвительного слоя, рабочее тело не разогревается, а рабочая точка не выходит за пределы линейного участка. (см.рис. 6.5)

Рис. 6.4 Световая характеристика фоторезистора.

Рис.6.5 Вольт-амперная характеристика фоторезистора.

Чувствительность фоторезисторов выше, чем у фотоэлементов с внешним фотоэффектом и достигает нескольких миллиампер на люмен.

Удельная чувствительность фоторезисторов определяется выражением.

Одной из основных характеристик фоторезисторов является темновая кратность сопротивления, которая определяется выражением.

где

- темновое сопротивление фоторезистора.

Фоторезисторы, как и фотоэлементы с внешним фотоэффектом, имеют различные спектральные характеристики. Так, например селеновые фоторезисторы имеют максимум спектральной чувствительности в красной области спектра, таллофидные – в инфракрасной области и т.д.

Фоторезисторы обладают значительной инерцией вследствие влияния положительных ионов, возникающих при вторичной эмиссии. Они не стабильны во времени и подвержены влиянию температуры, потому не находят широкого применения в измерительной технике. Однако в качестве чувствительных элементов автоматических устройств они незаменимы.

Зависимость фототока от времени имеет следующий вид (рис. 6.6)

Рис. 6.6. Временная характеристика фоторезистора.

Из рис.6.6 видно, что для уменьшения инерционности фоторезистора выгоднее работать на затемнение, т.к.

Устройство фоторезистора показано на рис.6.7

а)-устройство; б)-обозначение на схеме; в) – конструкция.

Первые две схемы представляют собой фотореле работающее на засветку. При нулевом световом потоке ток в цепи реле меньше тока срабатывания. При засветке сопротивление фоторезистора падает, ток в цепи реле растете до значения большего тока срабатывания.

Порог срабатывания в схеме рис.6.8а, регулируется подбором параметров фоторезистора и реле. В схеме рис.6.8б, кроме того, порог срабатывания можно изменять подбором параметров усилительного каскада. Схема изображенная на рис. 6.8в позволяет вырабатывать выходной сигнал пропорциональный величине перемещения источника излучения, а фаза направлению перемещения. При одинаковой освещенности нижнего и верхнего фоторезисторов схема находится в равновесии и выходное напряжение равно нулю, если источник света смещается возникает сигнал рассогласования.

Фотоэффект в запирающем слое рассмотрим на примере фотодиода.

Фотодиод представляет собой открытую для доступа света пластинку полупроводника, внутри которой имеются области электронной и дырочной проводимости, разделенные р-n переходом. Электронная и дырочная области снабжены невыпрямляющими контактами, к которым присоединены выводы, необходимые для подключения фотодиода в схему (рис.6.9а)

Затемненый фотодиод (световой поток Ф=0) не отличается от обычного полупроводниковго диода и его вольт-амперная характеристика описывается выражением.

а-принципиальная схема; б,г-вольт-амперная характеристика; в-обозначение на схеме; д-схема замещения.

Очевидно, что обратный ток затемненного фотодиода (его называют темновым током) является функцией температуры. Эта зависимость описывается выражением:

Под действием света, падающего на поверхность полупроводника, в последнем образуются пары электрон – дырка. Не основные носители диффундируют в область р-п перехода, втягиваются его полем и выбрасываются в область, расположенную за переходом, образуя в ней заряд.

Вольт-амперная характеристика фотодиода может быть описана выражением.

где

-фототок, то есть ток, созданный носителями, возбужденными светом:

1. Режим класса А - вентильный режим (диод работает в режиме фотогенератора) это работы в четвертом квадранте (рис. 6.9б).

Когда ток во внешней цепи I=0, напряжение на освещенном фотодиоде U_хх (напряжение холостого хода) согласно уравнению (6.10) имеет величину

Значение тока короткого замыкания можно найти, приняв в выражении (10) U=0

Фототок I_ф связан линейной зависимостью с величиной светового потока Ф:

где K-чувствительность фотодиода. (K=20-30 мА/лм)

Для максимальной передачи мощности в нагрузку, сопротивление нагрузки определяется выражением

2. Режим класса В (фотодиодный режим) – диод работает в третьем квадранте при обратном смещении.

При U<0 и Ф

0 экспоненциальный член в скобках (6.10) значительно меньше единицы, следовательно:

а вольт-амперная характеристика фотодиода, включенного в направлении запирания, сместится паралельно темновой вольт-амперной характеристике, как это показано на рис. 6.9б в третьем квадранте. Однако вольт-амперные характеристики реального фотодиода при увеличении светового потока не остаются параллельными друг другу; чем больше световой поток, тем больший угол образует вольт-амперная характеристика с осью напряжений (см.рис. 6.9г). Если измерить величину установившегося тока через освещенный фотодиод при некотором фиксированном напряжении на нем, то окажется, что приращение тока, вызванное действием света, превышает значение I_Ф на некоторую величину

с учетом выше сказанного вместо формулы (6.15) получим

Возникновение

обусловлено дополнительным разогревом фотодиода протекающим через него фототоком I_Ф.Это значит что схема замещения фотодиода должна представлять собой цепь из включенных параллельно генератора тока насыщения Г и подогреваемого терморезистора R_т, роль подогревателя в котором играет нелинейное сопротивление (варистор R_в), не зависящее от температуры, с вольт-амперной характеристикой, описываемой выражением (6.13). Такая схема замещения приведена на рис. 6.9д.

Основное применение фотодиоды нашли в качестве высокочувствительных датчиков светового потока. Их несомненным достоинством является высокая чувствительность, малая инерционности (менее одной микросекунды) и малые габариты. Недостатком фотодиодов является температурная чувствительность и нелинейность характеристик.

Ионизационный метод измерения основан на использовании явления протекания электрического тока через ионизированный газ. Если находящуюся между двумя электродами газовую среду (рис.2.28) подвергнуть ионизации, то при приложении к электродам напряжения возникнет упорядоченное движение электронов и положительных ионов ионизированного газа, называемое ионизационным током. Сила ионизационного тока зависит от приложенного напряжения и, параметров газовой среды и параметров стенок камеры. Поэтому ионизационный метод можно использовать в приборах для измерения плотности и скорости потока газа, температуры, давления, для качественного и количественного анализа газов и др.

Электрохимический метод измерения основан на электрохимическом преобразовании неэлектрической величины в электрический сигнал. Такое преобразование осуществляется в электролитической ячейке, представляющей собой сосуд с электролитом с погруженными в него электродами. При протекании электрического тока через раствор на границе электрод — раствор и раствор — электрод меняется природа носителей тока. Смена носителей тока обусловлена химическими реакциями, протекающими в растворе, в результате чего электроны от электрода передаются ионам, а от ионов — электродам.

Электромеханические преобразователи можно разделить на две группы: преобразователи, в которых электроды претерпевают изменения при прохождении тока (например, медные электроды в растворе CuSO₄), и преобразователи, в которых электроды не претерпевают изменений.

Принцип действия преобразователя виден из рис.2.29. Электрический ток проходит через электролит 1 и электроды 2 и 3. Сопротивление электрохимической ячейки проходящему току зависит от скорости подачи электролита. Функционирование преобразователя основано на том, что измеряемая неэлектрическая величина однозначно, связанная с перемещением жидкости около электрода 2, преобразуется в электрический сигнал.

Зависимость силы тока от падения напряжения и на границе электрод — раствор в случае окислительно-восстановительной реакции дается уравнением

Электрохимические преобразователи оказываются весьма эффективными при исследовании низкочастотных процессов. Они применяются в качестве датчиков сигналов, детекторов, интеграторов и визуальных индикаторов.

Электромагнитный метод измерения неэлектрических величин основан на прямом использовании закона электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции можно использовать в следующих двух формулировках.

1. Если в постоянном магнитном поле движется проводник со скоростью

, то в нем индуктируется и э. д. с. е, равная

где В— составляющая магнитной индукции по направлению, перпендикулярному

2. Если поместить проводник в переменном магнитном поле, то индуктируемая в нем э. д. с. е будет равна

В соответствии с этими двумя формулировками можно получить два типа преобразователей неэлектрических величин в электрические. Первый тип преобразователя состоит из катушки 1, движущейся в постоянном магнитном поле магнита или электромагнита 2 (рис.2.30, а и б). Катушка приводится в движение со скоростью

под действием механических сил, возникающих за счет энергии, получаемой от испытуемого объекта. Наводимая в катушке э. д. с. пропорциональна скорости

движения. Второй тип преобразователя состоит из неподвижной катушки 1 (рис.2.31) и магнитопровода с переменным зазором

(или с другим устройством для изменения магнитного потока), служащим для изменения магнитного потока магнита или электромагнита 2. Изменение зазора

осуществляется за счет измеряемых неэлектрических величин. Разновидностями второго типа преобразователя являются система с неподвижными катушками 1, магнитом 2 и вращающимся коммутатором 3 (рис.2.32, а) и система с неподвижной катушкой 1 и вращающимся магнитом 2 (рис.2.32, б).

Электромагнитный метод применим непосредственно для измерения тех неэлектрических величин, которые связаны со скоростью

движения или могут быть преобразованы в скорость. В частности, этот метод находит широкое применение при измерении вибраций, ускорений и скоростей вращения. Если измеряемые величины связаны с перемещением, а не со скоростью, то для получения на выходе прибора величины, пропорциональной, измеряемой, необходимо применять интегрирующие устройства.

Покажем, что в преобразователе с переменным зазором индуктируемая э. д. с. пропорциональна скорости изменения зазора. Если М — магнитодвижущая сила постоянного магнита или электромагнита, a R_M — магнитное сопротивление, то магнитный поток будет равен

Сопротивление R_M состоит из сопротивления железа R_ж и сопротивления воздушного промежутка

, где

— величина зазора, т.е.

Электродвижущая сила е, индуктируемая в катушке, согласно формуле (2.33) будет равна

Следовательно, э. д. с. пропорциональна скорости изменения зазора

При выборе параметров электромагнитных датчиков следует исходить из требований работы их в режиме холостого хода, так как только при этом условии остаются справедливыми соотношения (2.34) и (2.35).

Электромагнитный метод целесообразно применять для измерения быстроменяющихся величин.

Явление термоэлектричества заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникают токи, если спаи проводников имеют различные температуры. Возникающая в цепи термоэлектродвижущая сила является функцией разности температур спаев, а при небольшой разности практически пропорциональна ей. Величина термоэлектродвижущей силы зависит только от рода проводников и температуры спаев, но не зависит от их формы и размеров. Термоэлектрическая цепь, образованная двумя разнородными проводниками с двумя спаями, называется термопарой. Обычно в термопаре спай, подверженный воздействию измеряемых температур, называется горячим спаем, а места подсоединения к измерительному прибору — холодным спаем.

Для объяснения явления термоэлектричества воспользуемся следующими соображениями. Если соединить между собой два разнородных проводника, то на их противоположных концах возникнет разность потенциалов, зависящая только от рода соединяемых проводников. Разность потенциалов достигает нескольких вольт в зависимости от рода соединяемых проводников и называется контактной.

Если взять ряд проводников А, В, С,..., L, М из разных металлов, то при попарном соединении их возникнут разности потенциалов U_Ab, Ubc,...,Ulm, хотя при последовательном соединении этих проводников разность потенциалов на концах будет U_Ам. Отсюда следует, что в замкнутой цепи при одинаковых температурах проводников разность потенциалов будет равна нулю и ток будет отсутствовать. Другими словами, контактная разность потенциалов не может служить источником тока.

Поскольку явление термоэлектричества связано с контактной разностью потенциалов, то механизм возникновения этой разности следует рассмотреть более подробно.

В классической электронной теории металлов принято, что в любом металле имеется определенное количество свободных электронов. Эти электроны образуют электронный газ, подобный идеальному газу. Возникновение контактной разности потенциалов объясняется перемещением свободных электронов из одного металла в другой и выравниванием их внутренних потенциалов. Так как плотность электронных газов в разных металлах различна, то и давление их тоже различно. При соприкосновении металлов электроны вследствие разности давления будут диффундировать из металла с большим давлением в металл с меньшим давлением электронного газа.

Применим выводы кинетической теории газов к этому электронному газу.

Пусть N — плотность электронного газа, р — его давление, а Т — абсолютная температура. Тогда согласно уравнению Клапейрона, справедливому для электронного газа, получим

Для двух металлов с плотностями N₁ и N₂ в месте их соприкосновения давление будет постепенно изменяться от p₁ = kN₁T до p₂ = kN₂T. Возьмем бесконечно малый слой проводников в области их соприкосновения (рис.2.33). Приращение давления на длине dx будет

С другой стороны, это давление равно работе электрических сил, т.е.

или, после разделения переменных и интегрирования, получим

Из выражения (2.41) следует, что контактная разность потенциалов пропорциональна абсолютной температуре Т проводника в месте контакта и логарифму отношения плотностей электронных газов. Из выражения (2.41) следует также, что если вторые концы проводников А и В (см. рис.2.33) привести в соприкосновение при той же температуре Т, то возникнет контактная разность потенциалов, равная разности по величине u_A — u_B, но противоположная по знаку.

Возникновение термоэлектродвижущей силы легко понять, если обратиться к выражению (2.41). Здесь могут изменяться как плотность N, так и температура Т. Предположим, что имеется цепь из двух проводников А и В с двумя спаями (рис.2.34). Если Т₁ и Т₂ — температура спаев, a

и N"_B — соответственно плотности электронного газа в местах спая, то разность потенциалов при переходе от А к В будет

Из выражения (2.42) следует, что термоэлектродвижущая сила возникает при неравенстве температур спаев и при различии электронных плотностей

. Так как различие плотностей N' и N" является обычно следствием различия температур спаев Т₁ и Т₂, то термоэлектродвижущая сила в конечном счете определяется различием температур.

Если принять, что плотность электронных газов не зависит от температуры, что справедливо при небольшой разности температур спаев, то

Следовательно, в пределах небольшой разности температур термоэлектродвижущая сила пропорциональна этой разности. В действительности, плотности N_A и N_B зависят от температуры, поэтому при достаточно большой разности температур спаев большей температуре будет соответствовать большее количество свободных электронов.

Формулы (2.42) и (2.44) дают всегда преувеличенные значения величины термоэлектродвижущей силы, если не сделать произвольных предположений относительно электронных плотностей N_A и N_B. Вместе с тем при весьма низких температурах термоэлектродвижущая сила согласно тепловой теории Нернста должна обратиться в нуль, чего не следует из этих формул.

Модель «свободных электронов», которой пользуется классическая электронная теория металла, не вполне соответствует физической картине явления, так как электроны взаимодействуют как между собой, так и с ионами кристаллической решетки металла. Электроны движутся не в свободном от сил металле, а в периодическом потенциальном поле, создаваемом ионами металла.

В квантовой механике принимается иная электронная модель металла: предполагается, что электроны металла движутся независимо друг от друга в потенциальном поле, создаваемом ионами металла и остальными электронами. Не вдаваясь в детали вывода, приведем окончательное выражение для термоэлектродвижущей силы, даваемое квантовой механикой:

где величины

являются функциями температуры Т, длины свободного пробега, скорости электронов, энтропии и электронных плотностей.

Предположим, что в формуле (2.45) величины

не зависит от температуры, тогда получим

Термоэлектрический метод находит весьма широкое применение при измерении температуры твердых тел, жидкостей и газов, а также при измерении других величин, связанных с температурой (скорости потока и расхода газов и жидкостей и др.). Термоэлектрические датчики отличаются постоянством характеристик, достаточной чувствительностью и возможностью работы без усиления.

Пьезоэлектрический метод измерения основан на использовании пьезоэлектрического эффекта. Известно, что если некоторые кристаллы (кварц, турмалин, сегнетову соль) подвергать деформации, то на определенных поверхностях кристалла выделяются равные и противоположные по знаку электрические заряды, пропорциональные упругим механическим деформациям. Наоборот, если к тем же поверхностям кристалла приложить переменное электрическое напряжение, то кристалл будет деформироваться в соответствии с изменением напряжения. Первое явление (появление заряда при деформации) называется прямым пьезоэффектом, а второе — обратным.

Среди отмеченных выше кристаллов наибольшей чувствительностью обладает сегнетова соль. Однако применение ее ограничено, так как пьезоэлектрические свойства сегнетовой соли в большей степени зависят от температуры, а при температуре 38° С почти полностью пропадают. Пьезоэлектрические свойства кварца в меньшей степени зависят от температуры и сохраняются еще при температурах 350—400° С.

Для удобства оценки свойств кристалла вводят понятия оптической z, электрической х и механической у осей (рис.2.35). Для устройства пьезоэлектрических датчиков из кристалла вырезают симметричные пластинки круглой или прямоугольной формы, ориентированные относительно осей так, как это показано на рис.2.35 (заштрихованная площадка).

При действии усилий F_x и F_y вдоль электрической или механической оси (рис.2.35) электрические заряды появляются только на гранях кристалла, перпендикулярных к электрической оси х (рис.2.36). Количество возникшего электричества пропорционально действующей на кристалл силе, причем

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: