Фотоэлектрические датчики

Фотоэлектрические датчики широко используются в различных автоматических системах, в том числе в метеорологических измерительных системах: в системах измерения дальности видимости, высоты облачности, в схемах контроля солнечного сияния и др.

В фотоэлектрических датчиках главными конструктивными элементами являются фотоэлементы. В настоящее время используются полупроводниковые фотоэлементы. К ним относятся: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.

Принцип действия этих приборов основан на явлении внутреннего фотоэффекта, который состоит в увеличении свободных носителей заряда (электронов или дырок) в полупроводниковом материале при его освещении.

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется под действием излучения. Фоторезисторы широко применяются как дат­чики освещенности в измерительной технике.

На рис. 1.13, а показано устройство фоторезистора, а на рис. 1.13, б —схема его включения. На основание 1 из электроизоляционного материала наносится тонкий слой полупроводника 2, к которому крепятся внешние выводы 3. В исходном состоянии концентрация носителей в полупроводниковом слое мала и при отсутствии освещения его сопротивление составляет 10⁴ – 10⁶ Ом. В цепи фоторезистора протекает ток, который называют темновым. Он составляет доли миллиампера. Выходное напряжение U_Bыч практически равно нулю.

а б

Рис. 1.13

При освещении поверхности полупроводника за счет внутреннего фотоэффекта в слое полупроводника появляются дополнительные носители заряда. Сопротивление фоторезистора R уменьшается в несколько сотен раз. Соответственно увеличивается ток I_ф и напряжение U_Bыч.

При увеличении Ф увеличивается концентрация носителей и I_ф тоже увеличивается. После прекращения освещения избыточные носители рекомбинируют и сопротивление фоторезистора опять увеличивается, ток в его цепи уменьшается практически до нуля.

Вольтамперная характеристика фоторезистора линейна. Это значит что чувствительность фоторезистора (a=I_ф/Ф) зависит от освещенности. Поэтому при использовании фоторезистора в качестве датчика освещенности напряжение питания в его схеме должно быть стабилизированным. Для уменьшения зависимости Iф от напряжения питания фоторезистор в измерительных схемах часто освещают световыми импульсами. В этом случае в цепи фоторезистора формируются электрические импульсы, параметры которых (например, частота) несут информацию о контролируемом процессе.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с n-р-переходом.

Устройство фотодиода показано на рис. 1.14,а, а схема его включения — на рис. 1.14, б. Основой фотодиода является кристалл германия или кремния двухслойной структуры (1) (рис. 1.14, а). Он имеет выводы от слоя р (2) и от слоя n (3). В корпусе фотодиода устроено окно, через

которое световой поток Ф попадает в область p-n-перехода. Фотодиод работает при обратном смещении p-n-перехода. При отсутствии освещения через него протекаем темновой ток, близкий к нулю.

При освещении фотодиода в области p-n-перехода генерируются дополнительные носители заряда — элект­роны и дырки. Ток через переход

а б

Рис. 1.14

увеличивается почти линейно со световым потоком Ф и может в сотни и тысячи раз превосходить темновой. После затемнения I_ф умень­шается до исходного значения. Инерционность фотодио­дов значительно меньше, чем фоторезисторов.

Фотодиоды могут работать в генераторном режиме. В этом случае они включаются на нагрузку без дополни­тельного источника питания. ЭДС между выводами фото­диода создается за счет разделения возникающих носи­телей заряда электрическим полем перехода. Это поле направлено от слоя п к слою р. Под его действием образующиеся дырки направляются в область р, а электроны — в область n. Возникшая ЭДС может достигать для кремния 0,4—0,5 В, а для арсенида галлия — 0,8—0,9 В. Под действием этой ЭДС в цепи будет протекать ток. Фотодиод, работающий в генератор­ном режиме преобразует световую энергию непосредственно в электрическую. Поэтому он может использоваться как маломощный источник постоянного тока.

Путем параллельного и последовательного включения многих фотоэлементов получают так называемые солнечные батареи. От солнечных батарей можно получить значительные напряжения и достаточную мощность для питания различ­ных потребителей. Солнечные батареи являются основны­ми источниками питания на космических кораблях и искусственных спутниках.

Фототранзистор но конструкции похож на обычный транзистор, но он предусматривает возможность освещения базы. Если фототранзистор включить по схеме, показанной на рис. 1.15 , то при отсутствии освещения фототранзистор работает как обычный транзистор, т. е. он закрыт (Iк=0). При попадании света на базу транзистора в области базы появляются дополнительные носители заряда: электроны и дырки. Дырки, как неосновные носители, переходят из базы в коллектор под действием коллекторного напряжения. Дополнительные электроны перемещаются из базы в эмиттер и далее в коллектор. Чем выше освещенность базы, тем выше значение коллекторного тока. Чувствительность фототранзистора к освещенности значительно выше чувствительности фоторезистора

Рис. 1.17