Ионные фотоэлементы

СОДЕРЖАНИЕ:

Ионные фотоэлементы

Фотоэлементы

  1. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.
  2. Фотоэлементы
  3. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

Фотоэлемент (рис. 6.2) представляет собой стеклянную колбу, в которой создан вакуум и в которой размещены два электрода: фотокатод и анод. Фотокатод – это чувствительный к световому излучению слой, состоящий из соединений сурьмы, теллура, щелочных металлов с примесями различных элементов. Этот слой покрывает больше половины внутренней поверхности колбы. Анод имеет вид проволочного кольца, сетки либо рамки.

Схема включения фотоэлемента показана на рис. 6.3. Внешний источник E создаёт между анодом и катодом электрическое поле, под действием которого электроны, выбитые с поверхности катода, устремляются к аноду, создавая анодный ток (фототок) в цепи источника. Этот ток создаёт на резисторе падение напряжения, которое при неизменной величине E зависит от светового потока, падающего на фотокатод. Фотоэлементы подразделяются на вакуумные и газонаполненные. В вакуумных фотоэлементах внутри колбы создан вакуум, а в газонаполненных – под небольшим давлением введено небольшое количество инертного газа. Принцип действия у них одинаков, но у газонаполненных фотоэлементов гораздо выше чувствительность к излучению, что объясняется эффектом ионизации молекул газа и появлением дополнительных носителей электрического заряда.

Основными характеристиками фотоэлементов являются:

1. Вольт-амперная характеристика: .. Это зависимость фототока от напряжения между анодом и катодом при постоянном световом потоке. Вид типовых вольт-амперных характеристик представлен на рис. 6.4.

Видно, что в режиме насыщения фототок не зависит от анодного напряжения. Этот режим и является рабочим.

2. Световая характеристика .

Это зависимость фототока светового потока при неизменном напряжении на аноде фотоэлемента. Вид семейства этих характеристик представлен на рис. 6.5.

3. Спектральная характеристика: – это зависимость относительной мощности фотоэлемента от длины волны падающего на катод излучения. Вид типовой спектральной характеристики показан на рис. 6.6.

Спектральные характеристики фотоэлементов используют для их правильной эксплуатации.

Основными параметрами фотоэлементов являются:

1. Чувствительность – это отношение фототока к вызвавшему этот ток потоку излучения Ф : .

2. Пороговая чувствительность – минимальный световой поток, при котором полезный электрический сигнал фотоэлемента становится, различим на уровне помех.

3. Внутреннее сопротивление : .

Это отношение приращения анодного напряжения к приращению фототока при неизменной величине светового потока.

Фотоэлементы применяются в различных областях науки и техники. В частности их применяют в фотореле, которые обеспечивают контроль различных величин на производстве: освещенности, прозрачности сред, качества обработки поверхности деталей и т.п. Но их недостатками являются невозможность микроминиарютизации и довольно высокие анодные напряжения (десятки – сотни вольт).Поэтому в настоящее время во многих видах аппаратуры они заменяются полупроводниковыми приемниками излучения.

Дата добавления: 2020-06-04 ; Просмотров: 1222 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Ионные фотоэлементы

§ 152. Фотоэлементы и фотореле

Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств.
Фотоэлементы разделяются на три типа: 1) с внешним фотоэффектом, 2) с внутренним фотоэффектом, 3) с запирающим слоем.
В фотоэлементе с внешним фотоэффектом действие света вызывает выход из поверхностного слоя фотокатода электронов во внешнее пространство — в вакуум или сильно разреженный газ.
Схема устройства такого фотоэлемента приведена на рис. 226, а. На внутреннюю стенку стеклянной колбы 1, из которой откачан воздух, с одной стороны нанесен фотокатод 2. Широкое применение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды. В центре колбы вакуумного фотоэлемента укреплен металлический анод 3 в виде небольшого кольца или пластинки. Колба снабжена пластмассовым цоколем 4. В нижней части цоколя находятся контактные штырьки 5, к которым подводятся соединительные провода от фотокатода и анода. При помощи этих штырьков фотоэлемент вставляется в фотоэлементную панель.

Для работы фотоэлемента к его аноду и катоду подключают источник электрической энергии — батарею.
Анод соединяется с положительным зажимом, а фотокатод — с отрицательным зажимом источника электрической энергии.
Под действием подведенного к электродам фотоэлемента напряжения внутри него образуется электрическое поле, и электроны, вылетающие с поверхности освещенного фотокатода, направляются на положительно заряженный анод. Эти электроны создают в цепи анода электрический ток, который можно измерить гальванометром. В паспорте фотоэлемента указывается его чувствительность, которая определяется отношением величины фототока (в мка или ма), получаемого в цепи на единицу светового потока (люмен), падающего на фотокатод.
Для увеличения чувствительности фотоэлементов внутрь колбы иногда вводят небольшое количество газа, чаще всего аргона. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. Величина чувствительности фотоэлемента различных типов колеблется от 20 до 150 мка/лм.
Для практического использования фотоэлементов важное значение имеет его вольт-амперная характеристика (рис. 226, б). Она выражает зависимость фототока от величины приложенного напряжения к зажимам фотоэлемента при неизменной величине светового потока, освещающего фотокатод.
Внутреннее сопротивление вакуумных фотоэлементов исчисляется сотнями мегом, а газонаполненных — несколькими десятками мегом. Схема устройства фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, носящих название фотосопротивлений (ФС), или фоторезисторов, приведена на рис. 227, а.

Фотосопротивление представляет собой стеклянную пластинку, покрытую тонким слоем полупроводникового материала (сернистого свинца, сернистого висмута, сернистого кадмия), на котором расположены токопроводящие электроды.
Сущность внутреннего фотоэффекта сводится к следующему. Известно, что электропроводимость связана с количеством носителей заряда, который имеет тот или иной материал. В полупроводниках количество носителей электрических зарядов может увеличиваться вследствие поглощения энергии извне, в частности под воздействием световой энергии.
Увеличение количества носителей электрических зарядов в материале повышает его способность проводить электрический ток. В результате этого уменьшается электрическое сопротивление освещаемого материала.
Отличительная особенность фотосопротивлений от фотоэлементов с внешним фотоэффектом заключается в том, что при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещенного материала, а при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри материала, увеличивая тем самым количество носителей электрических зарядов.
Изменение проводимости в полупроводниках под воздействием света может быть очень большим. В некоторых материалах при переходе от темноты к интенсивному освещению сопротивление уменьшается в десятки раз и соответственно изменяется величина тока в цепи фотосопротивлений (рис. 227, б).
Величина изменения сопротивления, вызванная воздействием светового потока на фотосопротивление,

где Δr — изменение сопротивления ФС, ом;
rт — сопротивление ФС в темноте, ом;
rc — сопротивление ФС при его освещении, ом.
Число, показывающее, во сколько раз rт больше rc, называется кратностью изменения сопротивления ФС.

Оно может иметь значение от 1,0 до 500. Чувствительность их оценивается в мка при напряжении 1 в и составляет 500 — 3000 мка/лм · в, следовательно, превышает чувствительность фотоэлементов с внешним фотоэффектом. Поэтому в ряде устройств в настоящее время фотосопротивлениями заменены фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
Недостатком фотосопротивлений является то, что при их освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время (инерционность фотоэлемента), то же относится к нелинейной зависимости фототока от силы света, т. е, фототок возрастает медленнее, чем сила света, освещающая фотоэлемент. Кроме, того, фототок зависит от температуры среды (1 — 3% на 10° С). Последнее обстоятельство затрудняет применение фотосопротивлений при больших изменениях температуры внешней среды.
Устройство одного из фотоэлементов с фотоэффектом в запирающем слое, носящих название вентильных фотоэлементов, показано на рис. 228. На стальное основание нанесен слой селена, на котором помещается тончайшая (тысячные доли микрона) полупрозрачная пленка из золота. Между полупроводником и металлом при обработке фотоэлемента образуется электронно-дырочный р — n-переход.

Корпус фотоэлемента, изготовленный из изоляционного материала, имеет два зажима.
Когда на светочувствительную поверхность фотоэлемента падают лучи света, они проникая сквозь полупрозрачную пленку металла в полупроводник — селен, освобождают в нем электроны последние проникают через р — n-переход в металлическую пленку и заряжают ее отрицательным зарядом. При этом опорный электрод вследствие ухода электронов заряжается положительно. Под действием возникшей разности потенциалов в цепи элемента возникает фототок.
Селеновые фотоэлементы обладают высокой чувствительностью (до 500 — 600 мка/лм).
Кроме селена, для изготовления вентильных фотоэлементов применяют сернистый таллий, закись меди, сернистое серебро, германий и кремний. Важным отличием таких фотоэлементов является возможность получения значительного фототока при освещении их поверхности без включения в цепь источника электрической энергии.
Наряду с фотоэлементами существуют фотоэлектронные приборы с внутренним усилением фототока, носящие название фотоумножителей. Схема одной из конструкций фотоумножителя изображена на рис. 229, а.

Однокаскадный фотоумножитель, как и фотоэлемент, представляет собой стеклянную колбу, на внутренние стенки которой с одной стороны нанесен фотокатод, а с другой — эмиттер вторичных электронов. Анод в виде сетки расположен вблизи от эмиттера.
К электродам фотоумножителя подводится напряжение от источника электрической энергии.
Рабочее напряжение для фотоумножителя выбирают так, чтобы анод имел относительно фотокатода положительный потенциал, равный, например, 220 в, а эмиттер — меньший потенциал, например, 170 в.
При освещении фотокатода вылетающие с его поверхности первичные электроны под действием электрического поля, создаваемого между анодом и фотокатодом, с большой скоростью устремляются к положительно зараженному аноду. Так как анод выполнен в виде сетки, то большинство электронов пролетает сквозь нее и с силой ударяется о поверхность эмиттера. Каждый электрон, попадающий на эмиттер, выбивает несколько электронов с его поверхности. В результате такой бомбардировки эмиттера с его поверхности вылетает множество вторичных электронов, число которых в 7 — 10 раз превышает количество первичных электронов, ударяющихся об эмиттер.
Вследствие того, что анод имеет относительно эмиттера потенциал U = 50 в и близко расположен к нему, все электроны попадают на анод и в его цепи возникает анодный ток, превышающий в 7 — 10 раз фототок, образованный первичными электронами, вылетающими из фотокатода. Образованный поток вторичных электронов можно, воздействуя на него электрическим или магнитным полем, направить последовательно на несколько (до 20) эмиттеров. В этом случае получится еще более значительный, многократно усиленный поток электронов (усиление до 10 8 ). Такой способ усиления фототока называют умножением. По этой причине приборы, в основе действия которых лежит этот процесс, называются фотоумножителями.
На рис. 229, б показана схема четырехкаскадного фотоумножителя. Световые лучи через линзу Л фокусируются на фотокатоде ФК1.
Поток первичных электронов с этого катода попадает на катод К2 (первый каскад усиления), излучающий увеличенный поток вторичных электронов. Этот поток электронов последовательно усиливается на каскадах с катодами К3 и К4 и падает на анод фотоумножителя, который соединен с электрической цепью, питаемой через фотоумножитель.
Применение фотоумножителей позволяет усилить ток в десятки миллионов раз. Однако при этом требуется высокое напряжение (1000 — 2000 в), так как разность потенциалов между каждой парой соседних эмиттеров должна составлять 100 — 200 в.
Выходной ток фотоумножителя относительно невелик, не больше нескольких десятков миллиампер, так как назначение фотоумножителя — не получение больших выходных токов, а работа с предельно малыми световыми потоками.
Фотоэлементы широко используются в фотореле. Обычно фотореле представляет собой сочетание фотоэлемента и электромагнитного реле (рис. 230).

Каждый электрик должен знать:  Замена и перенос электросчетчика из-за неправильного учета

К зажимам «Вход» фотореле подключается источник электрической энергии переменного тока 127 — 220 в. К зажимам «Выход» присоединяется объект (нагрузка), управляемый при помощи фотореле.
Когда фотосопротивление затемнено, сила тока в его цепи очень мала вследствие того, что в темноте фотосопротивление обладает большим сопротивлением (10 7 — 10 8 ом).
Благодаря разомкнутым контактам электромагнитного реле через управляемый объект ток также не протекает — он выключен.
При освещении фотосопротивления его электрическое сопротивление резко уменьшается, через выпрямитель, обмотку электромагнитного реле и фотосопротивление проходит электрический ток. Якорь реле притягивается к сердечнику и замыкает через свои контакты цепь управляющего объекта — включается объект. Поскольку контакты электромагнитного реле телефонного типа не рассчитаны на большую мощность, то при необходимости управления значительной мощностью контакты этого реле, замыкаясь, включают вторичное реле, пружины которого рассчитаны на большую нагрузку — большую силу тока.
Весьма часто для увеличения фототоков используется ламповый усилитель. В этом случае фотореле состоит из фотоэлемента, усилителя и электромагнитного реле. Схема такого фотоэлектронного реле приведена на рис. 231.

В цепь анода усилительной лампы 1 включено электромагнитное реле 2, к контактам которого присоединяется объект, управляемый этим реле. Фотоэлемент 3 подключается одним концом к сетке лампы, а другим — к батарее 4. При освещении фотоэлемента на сопротивлении R создается падение напряжения и на сетке лампы поддерживается отрицательное напряжение по отношению к катоду. Лампа в этом случае заперта, в цепи анода тока нет.
Когда же освещение фотоэлемента прекращается, через лампу в цепи анода начинает протекать ток и реле срабатывает, замыкая своими контактами цепь объекта.
На рис. 232 приведена схема фотоэлектрического автомата, который автоматически останавливает ротационную (печатную) машину при обрыве бумаги. Работой автомата управляют три фотосопротивления. В схему автомата включены: первичное электромагнитное реле P1 вторичное реле P2 типа МКУ-48 с контактами, допускающими нагрузку до 1000 ва, и три осветительные лампы.

При обрыве бумаги свет попадает на одно или несколько фотосопротивлений. При этом через первичное реле P1 проходит достаточной силы ток и его контакты замыкаются. В результате срабатывает вторичное реле P2 которое размыкает цепь двигателя машины. Машина автоматически останавливается.

1. Каково строение атомов германия?
2. Чем отличается электронная проводимость полупроводников от дырочной?
3. При каком условии полупроводниковый диод пропускает электрический ток?
4. Как устроен селеновый вентиль?
5. Чем отличается выпрямленное напряжение до фильтра при однополупериодном и двухполупериодном выпрямлении?
6. Сколько р — п-переходов имеет полупроводниковый триод?
7. Назовите и изобразите три основные схемы включения полупроводникового триода.
8. Как устроен и действует фотоэлемент с внешним фотоэффектом?
9. Для чего служит фотоумножитель?
10. Из каких элементов состоит фотоэлектронное реле?

Это интересно!

Основные сложности проектирования интеллектуальных счетчиков

Проектировщики микросхем для счетчиков зачастую не подозревают о сложностях, связанных с построением систем учета, и требованиях, предъявляемых к ним. В статье освещаются некоторые вопросы разработки систем на кристалле (СнК) для контрольно-измерительных устройств, а также предлагаются возможные решения. Кроме того, рассматриваются основные проблемы, заблаговременное знание которых помогает избежать ошибок в процессе проектирования.

Рекомендации по прототипированию электронных схем

Статья написана на основе личного опыта автора с использованием некоторых советов из [1]. Приведенные рекомендации могут показаться тривиальными, но все же нам думается, что читатели смогут найти в этих советах кое-что полезное. Рекомендации применимы к широкому кругу устройств.

Измерение импеданса трансформаторов

Эта статья напоминает разработчикам о важности измерения импедансов всех магнитных компонентов силовой электронной цепи независимо от уровня питания. Измерение трех импедансов упростит процесс разработки, улучшит характеристики системы и обеспечит высокое качество производства.

Ссылки

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

9 декабря

Управление питанием от одиночного фотоэлемента

Чтобы упростить внедрение средств измерения, мониторинга и контроля в беспроводные сети, разработчики используют источники питания, независимые от электросетей. Очевидно, что батареи не обеспечивают такой независимости, т.к. требуют замены или подзарядки, т.е. периодического подключения к сети электропитания и дорогостоящего технического обслуживания. Хорошей альтернативой батарейному питанию являются системы сбора энергии из окружающей среды, которые устраняют необходимость в подключении к электросети и практически не нуждаются в обслуживании.

сточниками внешней энергии, которую можно аккумулировать, является электрическая энергия, механические вибрации, разность температур и свет. Компания Linear Technology поставляет решения по управлению питанием, которые позволяют решать задачи, специфичные для приложений по аккумуляции энергии. К этим решениям относится LTC 3588 для работы с источниками вибраций, LTC3108/LTC3109 — для источников тепловой энергии и LTC3105 — для фотоэлектрических систем.
Фотоэлектрические системы нашли широкое применение благодаря повсеместному распространению света. Их стоимость относительно невелика, и они генерируют достаточно большое количество энергии по сравнению с другими решениями по аккумуляции энергии из внешней среды. Благодаря относительно высокой выходной мощности фотоэлектрические установки используются для питания беспроводных датчиковых сетей и как зарядные устройства, которые позволяют увеличить срок службы батарей.
Если высоковольтные батареи последовательно соединенных фотоэлементов нашли широкое применение, решения на основе одного фотоэлектрического элемента по-прежнему редки из-за сложностей, связанных с поддержанием на шине питания стабильного напряжения при очень низком напряжении, которое фотоэлемент создает под нагрузкой. Выпускается лишь несколько повышающих преобразователей, способных работать при таком низком напряжении и высоком импедансе фотоэлектрического элемента, однако с этой целью применяется специально разработанная микросхема LTC3105. Благодаря очень низкому напряжению запуска величиной 250 мВ и программируемому управлению максимальной величиной мощности LTC3105 устанавливает типовое напряжение в диапазоне 1,8–5 В, пригодное для питания большинства приложений.

Принцип работы фотоэлементов

Эквивалентная схема фотоэлектрического источника питания в первом приближении представлена на рисунке 1. Более сложные модели, учитывающие вторичные эффекты, в этой публикации не рассматриваются.

Рис. 1. Эквивалентная схема простейшего фотоэлемента

Фотоэлемент характеризуют два стандартных параметра — напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Типичные кривые тока и напряжения фотоэлемента представлены на рисунке 2. Следует заметить, что ток короткого замыкания представляет собой ток генератора (см. рис. 1), а напряжение холостого хода — прямое напряжение диода. При увеличении светового потока ток от генератора увеличивается, и вольтамперные кривые располагаются выше по оси y.

Рис. 2. Типичные ВАХ фотоэлемента

Рис. 3. Типичная кривая мощности фотоэлемента

Для извлечения максимальной мощности от фотоэлемента входное напряжение преобразователя мощности следует согласовать с выходным сопротивлением элемента. На рисунке 3 показана кривая мощности для типичного одноэлементного преобразователя. Для извлечения максимальной энергии выходное напряжение фото­элемента должно соответствовать пиковой мощности. LTC3105 подстраивает поступающий на нагрузку выходной ток таким образом, чтобы поддержать напряжение фотоэлемента на уровне, установленном на управляющем выводе. Таким образом, с помощью одного программирующего резистора задается максимальное значение мощности, обеспечивается ее максимальное извлечение и поступление наибольшего зарядного тока в батарею.

Величина генерируемой мощности

Величина генерируемой фотоэлементом мощности зависит от ряда факторов. Выходная мощность пропорциональна освещенности, площади фотоэлемента и эффективности. Большинство фотоэлементов рассчитано на использование в условиях, когда солнечный свет попадает на поверхность под прямым углом (1000 Вт/м2), однако такие идеальные условия на практике встречаются редко. Максимальная выходная мощность устройств за несколько дней может измениться в 10 раз, что определяется климатическими и сезонными условиями, а также воздействием пыли или изменением угла падения солнечных лучей. Типичное значение выходной мощности кристаллического фотоэлемента в условиях максимального светового потока составляет около 40 мВт/кв. дюйм. Следует заметить, что фотоэлемента площадью в несколько квадратных дюймов достаточно для питания многих датчиков и подзарядки батареи.
В то же время устройства, генерирующие энергию под воздействием искусственного освещения, например, в домах или офисах, вырабатывают в несколько раз меньшую энергию. Даже кристаллический фотоэлемент с высоким КПД и площадью 4 кв. дюйма генерирует не больше 860 мкВт в условиях офисного освещения.

Выбор управляющего напряжения

На рисунке 4 показан механизм управления максимальным значением мощности, который реализован в LTC3105. Поскольку спад кривой мощности фотоэлемента (см. рис. 3) после пика намного круче, чем ее нарастание, лучше ошибиться в сторону меньших напряжений, чем оказаться в области правее пика.
При установке рабочей точки на управляющем выводе MPPC (maximum power point control) нельзя забывать о том, что внешние условия эксплуатации фотоэлемента меняется. Как правило, значение максимальной мощности существенно не меняется при изменении освещения, что позволяет установить единственную величину управляющего напряжения в широком диапазоне освещенности. Даже если рабочая точка при максимальной освещенности не вполне совпадает с пиковым значением, выходная мощность отличается от идеального значения в пределах лишь 5–10%.
Для кривой мощности рисунка 5 выбор напряжения на выводе MPPC равным 0,4 В позволяет работать вблизи точки максимальной мощности при любой интенсивности света. Отклонение напряжения от рабочей точки на 20 мВ в обе стороны приводит к потере мощности менее чем на 3%.

Каждый электрик должен знать:  Соседи долбили пол - начались проблемы с освещением

Рис. 4. Механизм контроля точки максимальной мощности

Рис. 5. Чтобы избежать резкого падения мощности в условиях неяркого освещения, следует выбирать рабочую точку максимальной мощности в области нарастания кривой

Как правило, управляющее напряжение точки максимальной мощности выбирается равным в диапазоне 75–80% от напряжения холостого хода фотоэлемента. В результате его выходной ток составляет 75–80% от тока короткого замыкания.

Зарядка Li-Ion аккумуляторов

Приложения, питающиеся от фотоэлектрических источников света, испытывают нехватку энергии в условиях темноты или слабой освещенности. В большинстве случаев эта проблема решается с помощью накопителей энергии — суперконденсаторов или перезаряжаемых батарей достаточно большой емкости.
На рисунке 6 представлены результаты измерения тока поликристаллического фотоэлемента площадью 50×25 мм, который заряжает литиево-ионную батарею при использовании схемы LTC3105 (см. рис. 7). Верхняя кривая тока зарядки соответствует яркому солнечному дню, тогда как кривая ниже наблюдается в пасмурные дни. Даже в условиях низкой освещенности ток зарядки превышал 250 мкА, благодаря чему суммарный заряд аккумулятора составил 6 мА∙ч.

Рис. 6. Профили заряда литиево-ионной батареи

Рис. 7. Схема зарядки литиево-ионного аккумулятора

Выбор устройства для хранения энергии

Для хранения собранной энергии используются перезаряжаемые батареи и конденсаторы с высокой плотностью энергии. Ни одна из этих технологий не оптимальна для всех приложений. При выборе устройства хранения следует учитывать ряд факторов, в т.ч. скорость саморазряда, максимальные токи заряда и разряда, чувствительность к напряжению и срок службы.
Скорость саморазряда имеет особенное значение в фотоэлектрических системах. В условиях ограниченного в большинстве случаев зарядного тока высокая скорость саморазряда может стать причиной потребления большого количества энергии от фотоэлектрической установки. Ток саморазряда некоторых элементов, используемых для хранения энергии, например суперконденсаторов, может превышать 100 мкА, что значительно снижает заряд, накопленный за весь день.
Другой важной характеристикой устройства для хранения энергии является ток, которым его можно зарядить. Например, при использовании дискового литиевого аккумулятора с максимально допустимым зарядным током в 300 мкА между аккумулятором и выходом LTC3105 требуется установить резистор с большим сопротивлением во избежание перегрузок по току. В результате количество запасенной энергии, доступной для приложения, уменьшается.
Во многих случаях величина зарядного тока непосредственно определяет срок службы устройства для хранения энергии, т.е. время, в течение которого оно функционирует в полевых условиях без обслуживания. Как правило, с увеличением токов заряда и разряда срок службы элемента сокращается. Суперконденсаторы допускают большое количество циклов перезаряда, тогда как батареи, заряжаемые относительно высоким током, характеризуются меньшим сроком службы. Помимо зарядных токов на срок службы оказывает влияние глубина цикла разряда и заряда — чем она больше, тем меньше время жизни устройства для хранения энергии.
Для некоторых типов батарей, в первую очередь, литиевых и тонкопленочных, требуется точный контроль максимального и минимального напряжений. Максимальное напряжение хорошо отслеживается с помощью преобразователя LTC3105, который прекращает заряд, когда на ее выходе начинается процесс регулирования. Для предотвращения чрезмерного разряда батареи LTC3105 используется в паре с шунтовым регулятором заряда LTC4071 (см. рис. 8).

Рис. 8. Литиево-ионное устройство непрерывно заряжается малым током от одиночного фотоэлемента

Выводы

Преобразователь LTC3105 является законченным однокристальным решением, которое применяется для сбора энергии от недорогих одиночных фотоэлементов. Эта ИС имеет схему контроля точки максимальной мощности и запускается при низком напряжении, что обеспечивает оптимальное извлечение энергии. Преобразователь LTC3105 может применяться не только для питания схем напрямую, но и для зарядки устройств хранения энергии (см. рис. 9) для поддержания работоспособности приложений в темноте или в условиях недостаточной освещенности. Эти ИС позволяют создавать полностью автономные удаленные датчиковые узлы (см. рис. 10), системы сбора данных и другие приложения, не нуждающиеся в подключении к энергосети и требующие минимального обслуживания.

Электровакуумные фотоэлементы

Устройство и условное изображение в схемах электровакуум­ного фотоэлемента показано на рис.94. Внутри стеклянного бал­лона помещаются два электрода: фотокатод и анод. Фотокато­дом является светочувствительный слой щелочноземельного ме­талла, нанесенный на серебряную подложку, осажденную на внутренней поверхности баллона. Обычно катод занимает поло­вину поверхности баллона. Остальная его часть остается про­зрачной и служит» окном, через которое свет попадает на фотокатод. Чаще всего применяются кислородно-цезиевые на сере­бряной подложке и сурьмяно-цезиевые катоды.

Анод фотоэлемента выполняется в виде небольшого нике­левого кольца, помещенного в центре баллона.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом бывают вакуумные и газонаполненные. Из баллона вакуумного фотоэлемента воз­дух откачивается до образования вакуума 10 -6 —10 -7 мм рт. ст. Баллон газонаполненного фотоэлемента заполняется инертным газом (обычно аргоном) при давлении 0,1-—0,01 мм рт. ст.

Схема включения фотоэлемента приведена на рис. 95.

Принцип действия фотоэлемента основан на использовании явления внешнего фотоэффекта. Под действием светового по­тока из фотокатода вылетают электроны. Они попадают в уско­ряющее электрическое поле анода и, достигая анода, создают во внешней цепи ток Iф, пропорциональный интенсивности све­тового потока. При изменении светового потока изменяется ток во внешней цепи, а следовательно, и падение напряжения на ре­зисторе нагрузки RK. Таким образом, с помощью фотоэлемента световой поток осуществляет управление выходным напряже­нием.

Ток в фотоэлементе незначительный. Увеличение тока в фо­тоэлементах достигается двумя способами:

1) использованием вторичной электронной эмиссии. Такие
приборы называются фотоэлектронными умножителями;

2) наполнением баллона фотоэлемента инертным газом. Та­
кие приборы называются ионными фотоэлементами.

Основным параметром фотоэлементов является чувствитель­ность. Различают чувствительность интегральную и спект­ральную.

Интегральной чувствительностью фотоэлемента называется чувствительность его к суммарному (неразложенному) световому по­току стандартного источ­ника. Интегральная чув­ствительность показывает величину анодного тока, вызываемого световым

потоком в 1 лм, и измеряется в микроамперах на люмен:

Рис. 95. Схема включения фото­элемента.

Рис. 94. Устройство Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Классификация фотоэлементов
Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:
  • Внешний фотоэффект . Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
  • Внутренний фотоэффект . Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
  • Вентильный фотоэффект . Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Каждый электрик должен знать:  Параметры светодиодных источников света, характеристики светодиодных ламп

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор . Световой луч управляет его работой.

Электровакуумные фотоэлементы

Представляют собой ламповый диод, выполненный в виде стеклянного баллона. На внутреннюю поверхность баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества эмитирующего электроны. Анодом является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод.

В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных — инертный газ – аргон под давлением. Обычно применяют сурьмяно-цезиевые или кислородно-цезиевые катоды.

Вольт-амперная характеристика электронного фотоэлемента показывает резкий режим насыщения.

У ионных фотоэлементов при некотором значении анодного напряжения вследствие ионизации газа аргона ток значительно возрастает, что оценивается коэффициентом газового усиления, который может быть от 5 до 12., т.е. при их использовании нет необходимости в последующем усилении выходного сигнала, его можно регистрировать непосредственно.

Энергетические характеристики: ионные обладают большей чувствительностью.

Частотные характеристики: электронные фотоэлементы работают на частотах до сотни МГц, ионные до нескольких Гц.

Недостатки: наличие темнового тока в результате термоэмиссии катода , что ограничивает их применение для слабых световых потоков. К недостаткам также относятся габариты и большое анодное напряжение.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)

Предназначен для регистрации малых световых потоков.

Представляет собой стеклянный баллон, торцовая часть которого имеет специальное светочувствительное покрытие – фотокатод, который испускает электроны под действием света. Воздух из баллона удален. Вдоль баллона чередуясь по двум противоположным сторонам размещены изогнутые металлические пластины – диноды. На них с цепочки сопротивлений делителя напряжения подается большое положительное напряжение, возрастающее от динода к диноду. по мере удаления от катода.

Каждый импульс света, в зависимости от своей интенсивности, высвобождает из фотокатода от нескольких штук до нескольких сотен электронов. Зарегистрировать такой ток невозможно.

Однако под воздействием электрического поля эти электроны устремляются к первому диноду и бомбардируют его поверхность, выбивая несколько вторичных электронов. Они в свою очередь бомбардируют следующий динод и т.д.

Число вылетающих электронов нарастает лавинообразно, так что их поток приходящийся на один световой импульс несет в себе до 10 9 — 10 11 электронов. Выходя из ФЭУ и протекая по анодной нагрузке, он создает напряжение, которое можно зарегистрировать.

Литература

1. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2004. –496 с.

2. Антонов В.Ф., Черныш А.М., В.И. Пасечник и др. Биофизика. М., Владос, 2000.

3. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.- М., Высшая школа, 2003.- 608 с.

4. Ливенсон А.Р. Электромедицинская аппаратура. М: Медицина, 1981, 344с

1. Физические основы работы фоторезистора, фотодиода, фотоэлементов

2. Достоинства и недостатки полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей

3. Устройство и принцип работы вакуумных фотоэлементов

4. Основные характеристики вакуумных фотоэлементов

5. Устройство и принцип работы фотоэлектронных умножителей

Дата добавления: 2020-11-24 ; просмотров: 26 | Нарушение авторских прав

Параметры и характеристики фотоэлементов.

В качестве параметров фотоэлементов, как и для полупроводниковых фотоприемников, используются чувствительность, квантовый выход (квантовая эффективность), шумы, минимально регистрируемая мощность излучения (пороговый поток), обнаружительная способность, темновой ток, постоянная времени, сопротивление. Эксплуатационные и конструктивные параметры: максимально допустимая рассеиваемая мощность, нестабильность чувствительности и темпового тока во времени, температурный коэффициент чувствительности и др.

К основным характеристикам фотоэлементов относятся: спектральные, вольт-амперные, энергетические, частотные, температурные.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) /ф = f(Ua). ВАХ фотоэлементов называют зависимость фототока /ф от напряжения анода UB при неизменном световом потоке Ф = const. Типичная ВАХ фотоэлемента представлена на рис. 16.42. При малых значениях Ua (участок I на рис. 16.42) в приборе реализуется режим объемного заряда (см. гл. 11), т. е. у поверхности катода за счет фотоэмиссии образуется область отрицательного объемного заряда и не все электроны попадают на анод (ток ограничен полем объемного отрицательного заряда и определяется законом трех вторых). По мере увеличения Ua все большее количество электронов из области объемного заряда имеет возможность уйти на анод, ток растет, а плотность объемного заряда уменьшается. Часть электронов попадает на поверхность баллона, вызывая вторичную электронную эмиссию с коэффициентом а 8 . 10“® с, а междуэлектродная емкость С

10. 50 пФ, для импульсных фотоэлементов тпр

10 10 . 10 11 с, С

3. 4пФ. Серийные обычные электровакуумные фотоэлементы имеют частотный диапазон до 10 г> Гц, а импульсные — до 10° Гц.

Спектральные характеристики 5ф(А.) = /(А.). Спектральными характеристиками фотоэлементов называют зависимости монохроматической чувствительности от длины волны X (или частоты) электромагнитного излучения, воздействующего на фотокатод электровакуумного фотоэлемента.

Спектральные характеристики для сурьмяно-цезиевого (!) и кислородно-цезиевого (2) фотокатодов показаны на рис. 16.45. Эти

Рис. 16.44

Рис. 16.45

характеристики определяются в основном электрофизическими параметрами полупроводниковых материалов, из которых изготовлены фотокатоды. Физические процессы, определяющие ход рассматриваемых характеристик, полностью аналогичны явлениям, происходящим в полупроводниковых фотоэлектрических приборах (см. п. 16.4). Конструктивные свойства также влияют на характер зависимости = /“(А.); к ним можно в первую очередь отнести толщину фотокатода, материал подложки, физические свойства окна (стекла) фотоприемника.

Кроме описанных сурьмяно-цезиевых и кислородно-цезиевых фотокатодов, в фотоэлементах применяют многощелочные фотокатоды, образованные соединениями сурьмы с атомами калия, натрия и цезия №2К8Ь(Сб). Максимальная чувствительность фотокатода достигается, когда отношение натрия к калию приблизительно равно двум, а содержание цезия много меньше, чем калия.

Рассмотренные параметры и характеристики фотоэлементов подвержены изменениям под влиянием температуры, что обычно отражают в виде зависимости параметров фотокатодов от температуры или температурных коэффициентов.

Устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента

Приборы, в которых внешний фотоэффект используется для получения электрической энергии за счет энергии излучения, носят названия фотоэлементов. Фотоэлементы изготавливаются вакуумные, в которых фототок образуется электронами, выходящими из катода под действием излучения, и газонаполненные, в которых фототок усили-вается при разряде в газе.

Вакуумный фотоэлемент (рис. 2.1) выполняется чаще в виде стек-лянного баллона 1, из которого откачан воздух. Часть внутренней по-верхности баллона, покрытая светочувствительным слоем, содержащим щелочной металл, является катодом К. Анод А выполняется в виде металлического кольца, расположенного в центре баллона. В вакуумных фотоэлементах остаточное давление газа в баллоне около мм рт.ст. В фотоэлементе СЦВ используется сурьмяно-цезиевый катод.

При включении фотоэлемента в электрическую цепь (см. рис. 2.1) и освещении катода, фотоэлектроны, вырванные с поверхности металла, перемещаются под влиянием электрического поля к аноду. В цепи появляется фототок i. Зависимость фототока от напряжения между анодом и катодом при неизменном световом потоке Ф (или освещенности E) называется вольт-амперной характеристикой фото-элемента. Схематически эта зависимость приведена на рис. 2.2.

Если освещать катод неизменным световым потоком Φ ( ) и изменять напряжение U между катодом и анодом, то сначала c ростом U фототок резко возрастает, затем возрастание уменьшается и, наконец, прекращается. Фототок достигает некоторого максимального значения, называемого током насыщения , который обусловлен тем, что все фотоэлектроны, вырываемые с поверхности катода, достигают анода.

Как видно из вольт-амперной характеристики даже при в цепи течёт ненулевой фототок . Существование тока является следствием того, что электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью , а значит, и отличной от нуля кинетической энергией. Некоторые из них могут достичь анода даже в отсутствии внешнего электрического поля. Для того чтобы фототок стал равен нулю, необходимо приложить обратное – задерживающее напряжение . При ни один из электронов не сможет преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно

Таким образом, измерив задерживающее напряжение , можно определить максимальную скорость и кинетическую энергию фотоэлектронов.

Если при постоянном напряжении ( ) изменять величину светового потока, падающего на катод, то обнаружим пропорциональность между фототоком i и световым потоком. В области насыщения тока имеет место прямая пропорциональность:

Коэффициент γ, (ампер на люмен), называется чувствитель-ностью фотоэлемента. Чувствительность – основная характеристика фотоэлемента. При определении чувствительности γ необходимо знать величину светового потока Ф. Если освещенность фотокатода E, площадь поверхности фотокатода S, то падающий световой поток .

Пусть фотокатод освещается лампой накаливания, удаленной от него на расстояние r(см. рис. 2.3). Лампу можно считать изотропным точечным источником, сила света которого . В этом случае

Чувствительность вакуумных фотоэлементов составляет величину порядка .

Добавить комментарий