Оптические воспринимающие органы

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 11Следующая ⇒

Общие сведения. В сельскохозяйственной технике оптические (световые) датчики используются в установках сортировки продуктов (томатов, яблок, смородины, клубники и т. д.) по цвету и определения качества на просвет (зерна, яиц), в регуляторах освещенности и интенсивности, облучения в теплицах, в животноводстве и птицеводстве, в устройствах автоматического отключения и включения уличного освещения, в измерителях дымности воздуха и мутности воды, газоанализаторах, в устройствах контроля пламени в топках, а также в различных защитных устройствах и т. п.

В качестве воспринимающих органов в оптических датчиках используются фоторезисторы, вакуумные фотоэлементы, фотодиоды, фототриоды и фототиристоры.

У фоторезистора под действием света увеличивается количество свободных электронов, а, следовательно, и электропроводность. Повышение электропроводности полупроводника под действием световой энергии называют внутренним фотоэффектом. Фоторезистор (рис. 3, а) в большинстве случаев представляет собой нанесенный на стеклянную пластину 5 тонкий слой полупроводникового вещества 4. К противоположным сторонам полупроводникового слоя прикрепляют металлические электроды 1, предназначенные для включения фоторезистора в электрическую цепь. Пластинка с нанесенным на нее полупроводниковым слоем запрессовывается в пластмассовую оправу 2 с отверстием (рабочим окном) для прохода световых лучей. Рабочее окно покрывают светопроницаемым лаком 3.

Фоторезисторы характеризуются высокой светочувствительностью, простой конструкцией, малыми габаритами, значительной мощностью рассеяния и практически неограниченным сроком службы. Они могут работать в цепях постоянного и переменного токов. Эти качества обусловили широкую область применения фоторезисторов. К недостаткам фоторезисторов следует отнести некоторую зависимость их параметров от температуры и нелинейную зависимость силы фототока от светового потока, а также относительно высокую инерционность (постоянная времени у них порядка 3*10^-3— 3*10^-5с при световом потоке 10^-5 лм).

Вакуумный фотоэлемент представляет собой вакуумную или газонаполненную лампу с катодом К из светочувствительного слоя, нанесенного на жесткую подложку (внутреннюю поверхность стеклянного баллона), и анодом А в виде кольца или пластины.

Вакуумные фотоэлементы обычно работают в режиме насыщения, когда фототок зависит только от освещенности и не зависит от приложенного напряжения.

В отличие от фоторезистора электроны, возникшие в фотоэлементе под действием световой энергии, не остаются в освещенном слое, а удаляются от него (внешний фотоэффект). На рисунке 3, б приведена принципиальная схема включения вакуумного фотоэлемента. Для увеличения чувствительности колбу вакуумного фотоэлемента заполняют инертным газом. Фотоэлектроны, освобожденные светом, соударяясь с атомами газа, ионизируют его и под действием электрического поля усиливают ток. Такие фотоэлементы называются ионными.

Рисунок 3- Схемы включения: а - фоторезистора; б - вакуумного фотоэлемента; в -фотодиода; г -фототриода; д - фототиристора.

Вакуумные фотоэлементы малоинерционны, но сильно подвержены старению, то есть нестабильности и ухудшению характеристик со временем.

Ничкан чувствительность и малая выходная мощность вакуумных фотоэлементов обусловили применение усилителей, которые обычно объединяются в единую конструкцию с фотоэлементом и называются фотоумножителями.

И последнее время в автоматику начали широко внедряться фотодиоды, фототриоды и фототиристоры, принцип действия их

основан на использовании свойств р—n - перехода в германиевом или кремниевом слое.

Фотодиод — это полупроводниковый приемник лучистой энергии, в котором происходит направленное движение носителей тока при воздействии энергии оптического излучения. Режим работы фотодиода с внешним источником питания называют фотопреобразовательным, а без него — фотогенераторным.

На рисунке З.в приведена принципиальная схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме. Напряжение на р-п - переход фотодиода подается запирающей полярности. При освещении происходит генерация носителей электрического заряда, которые под действием электрического поля разделяются и на границе р-п - перехода создают разность потенциалов. Фотопреобразовательный режим дает значительное повышение светочувствительности, недоступное для обычных вентильных фотоэлементов.

Фототриод — это полупроводниковый приемник лучистой энергии, имеющий направленное движение носителей тока и обладающий свойством усиления фототока при действии энергии оптического излучения.

На рисунке 3, г приведена принципиальная схема включения фототриода.

Конструктивно фототриод представляет собой полупроводниковую пластинку с тремя чередующимися областями р—n—p - проводимостей. Эти области имеют контактные выводы для включения фототриода в схему. Базовая область Б типа п- проводимости доступна для проникновения света. Под действием света в базовой области образуются пары электрон — дырка, которые под влиянием электрического поля диффундируют в эмиттерную Э и коллекторную К части триода. В результате создается ток, проходящий через эмиттерно - базовый переход, который усиливает ток коллектора (аналогично тому, как это происходит в обычном полупроводниковом триоде).

Фототриод по сравнению с фотодиодом имеет дополнительные возможности использования. Его работой можно управлять не только световым потоком, но и одновременно электрическим сигналом. Кроме того, фототриоды обладают более высокой чувствительностью, чем другие фотоэлементы.

Фототриод — это четырехслойный полупроводниковый прибор с р—n—р—n - переходами, управляемый светом (рис. 3, ц). Фототиристор является новым полупроводниковым прибором, сочетающим в себе положительные свойства тиристора и

преобразователя оптической энергии в электрическую. Принцип действия фототиристора аналогичен принципу действия фототриода. Под действием освещенности в полупроводниковых слоях происходит генерация пар электрон - дырка, которые под влиянием приложенного электрического поля участвуют в увеличении тока, протекающего через структуру фототиристора.

Воздействие света на р-п-р-п - структуру имеет тот же результат, что и воздействие тока управляющего электрода УЭ (рис. 3, д) у тиристоров. Однако световому управлению фототиристором, присуще важное преимущество перед электрическим, так как оно не предполагает гальванической связи с силовой цепью и позволяет использовать управляющий электрод для других схемных назначений, например, для установления необходимой чувствительности или температурной стабилизации.

Свойства фотовоспринимающих органов определяются рядом параметров и характеристик, из которых главными для схем автоматики, являются световая и вольтамперные характеристики и чувствительность.

Световой характеристикой I_ф= f(Ф) называют зависимость фототока от светового потока Ф (освещенности Е) при неизменном приложенном напряжении.

Вольт - амперной характеристикой I_ф= f(U) называют зависимость тока фотовоспринимающего органа от напряжения при постоянной освещенности.

На рисунке 4 приведены световые, а на рисунке 5 — вольтамперные характеристики фотовоспринимающих органов.

Световые характеристики фоторезистора, фототриода и фототиристора (рис. 4. а, г, д) нелинейны, а фотоэлемента (рис. 4. б) - линейны, в чем состоит важное преимущество применения фотоэлементов в фотоусилителях.

Для полупроводниковых фотовоспринимающих органов характерно наличие темноватого тока I_т, обусловленного конечной величиной сопротивления элемента при отсутствии освещенности.

Чувствительность оптических датчиков разделяют на интегральную, удельную и спектральную.

Рисунок 4- Световые характеристики: а - фоторезистора; б - кислородно- цезиевого 1 и сурьмяно-цезиевого 2 фотоэлементов; в - фотодиода; г - фототриода; д - фототиристора.

Рисунок 5- Вольт - амперные характеристики: а - фоторезистора; б - фотоэлемента; в - фотодиода; г - фототриода; д - фоторезистора.

Интегральная чувствительность (мкА/лм) численно равна силе, потока, протекающего по короткозамкнутой цепи фотовоспринимающего элемента под действием единицы светового потока, неразложенного в спектр:

где и Ф – соответственно ток и световой поток.

В паспортных данных фоторезисторов приводится удельная чувствительность (мкА/лм В), которая представляет собой отношение фото - тока к световому потоку при напряжении 1 В:

где U - напряжение, приложенное к элементу.

Максимальную чувствительность находят, умножая удельную чувствительность на максимальную разность потенциалов.

Зависимость чувствительности элемента от длины волны светового потока называют спектральной характеристикой, а коэффициент чувствительности, найденный для определенной длины волны, - спектральной чувствительностью.

Датчики температуры

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒