Как работает фотоэлемент и фотосенсор, из чего он состоит и как устроен

Слово фотоэлемент является общим названием многочисленной группы электронных приборов, так или иначе реагирующих на свет.

У некоторых из этих - фотоэлементов свет используется для той же цели, что и нагрев у рассмотренных до этого приборов, т. е. для получения рабочего потока электронов.

У таких приборов есть фотокатоды, которые при их освещении начинают испускать электроны, причем количество излучаемых электронов пропорционально интенсивности освещения.

Подобные фотоэлементы получили название фотоэлементов с внешним фотоэффектом (электроны вылетают из катода во внешнее пространство). Фотоэлементы этого типа находят теперь широчайшее применение.

Например, они используются в звуковом кино, где превращают оптическую запись — фонограмму — в электрические колебания соответствующей звуковой частоты.

как работает Фотоэлемент фотосенсор

Рис. 1. Как работает фотоэлемент.

В фотоэлементах другого типа под воздействием освещения не происходит вылета электронов во внешнее пространство. Их освещение приводит лишь к тому, что некоторая часть электронов, ранее связанных с атомами вещества, вырывается из этих связей и получает возможность свободного передвижения внутри вещества, т. е. получает возможность образовывать электрический ток.

Поэтому у этих фотоэлементов под воздействием освещения изменяется электропроводимость (изменяется сопротивление электрическому току).

Фотоэлементы такого типа получили название фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, так как «освобожденные» в результате освещения электроны остаются внутри тела. Их называют также фотосопротивлениями.

Такие фотоэлементы тоже находят самое широкое применение в технике; в частности, они используются в некоторых телевизионных передающих трубках (видиконах).

Существует группа фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, которые в силу некоторых своих особенностей (существования так называемого запирающего слоя) при их освещении становятся источниками электроэнергии.

Фотоэлементы этого типа называют вентильными. Такие фотоэлементы (селеновые) работают в общеизвестных фотоэкспонометрах, при помощи которых определяют экспозицию при фотосъемке. Кремниевые фотоэлементы такого же типа известны под названием солнечных батарей.

Внутренний фотоэффект

Рис. 2. Внутренний фотоэффект.

Газы внутри фотоэлемента

Рис. 3. Газы внутри фотоэлемента.

Они применены для питания радио- и электроаппаратуры в третьем советском спутнике и на космических ракетах-лунниках и начинают использоваться для питания переносных радиоприемников.

Следует отметить, что термин «освещение» в известной степени условен. Его не нужно понимать как освещение только видимыми световыми лучами. Фотоэлементы реагируют на воздействие и инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами.

Здесь мы рассмотрим лишь фотоэлементы первой группы — с внешним фотоэлементом, поскольку остальные фотоэлементы принадлежат к группе полупроводниковых приборов.

Работа фотоэлементов с внешним фотоэффектом основана на использовании фотоэлектронной эмиссии — явления, наблюдающегося у некоторых металлов (излучение электронов под воздействием падающих на них лучей света).

Наиболее распространенным материалом для фотокатодов служит цезий, обычно не в чистом виде, а в соединениях с другими веществами. Чаще других применяются кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые катоды.

Основой фотоэлемента служит стеклянный баллон, примерно половина внутренней поверхности которого покрывается светочувствительным слоем и образует фотокатод.

Свет или какие-либо невидимые і лазом лучи, попадая через прозрачную часть баллона на фотокатод, вырывают из него электроны, количество которых пропорционально интенсивности облучения (при освещении видимыми световыми лучами — пропорционально силе света).

Для вывода электронов во внешние цепи служит небольшой анод, обычно кольцеобразной формы, располагающийся в середине баллона. Кольцеобразная форма придается аноду для того, чтобы он не являлся препятствием для лучей, падающих на катод.

Между катодом и анодом прикладывается напряжение около 150—250 в, в результате действия которого все электроны, вырываемые светом из катода, устремляются к аноду и образуют ток во внешней цепи, соединяющей анод с катодом.

Эмиссия электронов из фотокатодов сравнительно незначительна, поэтому токи, даваемые фотоэлементами, малы. Чтобы несколько увеличить их, в баллоны фотоэлементов иногда вводят некоторое количество какого-нибудь инертного газа, например аргона.

Такие фотоэлементы носят название газонаполненных. Увеличение анодного тока происходит в газонаполненных фотоэлементах вследствие ионизации газа. Вырванные из катода электроны сталкиваются на своем пути к аноду с частицами газа и выбивают из них электроны — один или несколько.

Эти электроны, появившиеся в результате ионизации, включаются в общий электронный поток и устремляются к аноду. В то же время положительные ионы (атомы газа), потерявшие часть своих электронов, притягиваются к отрицательно заряженному катоду, ударяются об его поверхность и выбивают из нее еще некоторое количество электронов, которые тоже устремляются к аноду.

Оставшиеся свободными электронные орбиты положительных ионов заполняются при этом электронами, но количество выбитых электронов бывает большим, чем нужно для заполнения пустых орбит у ионов, поэтому электронный поток в таком газонаполненном фотоэлементе при одинаковой интенсивности воздействующего облучения бывает значительно больше, чем в вакуумном. В фотоэлементах, содержащих газ под давлением порядка 10-2 мм рт. ст., удается добиться увеличения тока в 5—8 раз по сравнению с вакуумными фотоэлементами.

Газонаполненные фотоэлементы легко отличить от вакуумных по букве «Г», имеющейся в их обозначении. Эта буква обозначает «газонаполненный». Так, например, обозначение ЦГ-3 расшифровывается как фотоэлемент цезиевый, газонаполненный, третий тип.

Но и газонаполненные фотоэлементы дают очень небольшие токи, измеряемые микроамперами. Поэтому при их использовании приходится применять ламповые усилители.

Как уже отмечалось, фотоэлементы всех типов и видов находят в современной науке и технике самое широкое и разнообразное применение. В особенности расширились области применения фотоэлементов в последние годы в связи с массовым применением автоматизированных устройств. Существенной частью таких устройств во многих случаях является именно фотоэлемент.

Фотоэлементы позволили осуществить одно из величайших достижений современной техники—телевидение. Однако в телевидении трудно применить фотоэлементы того вида, с которым мы только что познакомились.

Любой из тех фотоэлементов, о которых мы говорили, реагирует лишь на общую интенсивность падающего на него светового потока. Катод фотоэлемента представляет собой единое целое.

Ток, который дает этот катод, зависит от величины светового потока, падающего на катод. Если, скажем, половину поверхности катода затемнить, но световой поток, падающий на его вторую половину, увеличить вдвое, то ток, даваемый катодом, не изменится. Таким образом, по току катода фотоэлемента нельзя судить о том, как освещены его отдельные участки.

Фотоэлемент регистрирует лишь суммарную освещенность всей поверхности его катода Если бы мы хотели осуществить при помощи фотоэлементов «видящее» устройство, то от каждой отдельной точки изображения надо было бы получать отдельный ток, который не смешивался бы с токами от других точек. Так устроен и наш глаз.

Передача изображения - прием фотосенсорами и отображение лампочками

Рис. 4. Передача изображения - прием фотосенсорами и отображение лампочками.

Сетчатая оболочка глаза, на которую хрусталиком, проектируется изображение, представляет собой собрание миллионов светочувствительных окончаний зрительного нерва, причем от каждого из этих окончаний в мозговые центры идет отдельное нервное волокно, отдельный «провод», по которому передается информация о количестве света, воспринятого данным окончанием.

Первоначальные проекты телевизионных устройств представляли собой в сущности повторение устройства глаза. В них применялось по возможности большое количество фотоэлементов, расположенных на плоскостях в шахматном порядке.

На эту плоскость проектировалось передаваемое изображение. Каждый фотоэлемент воспринимал такое количество света, какое соответствовало спроектированной на него части изображения.

От всех фотоэлементов шли отдельные провода к усилителям и далее к лампочкам, размещенным в таком же шахматном порядке, как фотоэлементы. Яркость свечения лампочки зависит от количества света, упавшего на соединенный с нею фотоэлемент.

Разумеется, такую систему осуществить нельзя. Если применить незначительное количество фотоэлементов и лампочек, то изображение будет слишком грубым, нечетким.

Применить же такое их количество, какое нужно для достаточной четкости передаваемых изображений (несколько сотен тысяч), практически невозможно.

Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.

0
1219
Добавить комментарий