Фотодатчики

Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или иной электроприбор, электрические свойства, которого (сила тока, внутреннее сопротивление или ЭДС) изменяются с под действием падающего на него светового излучения.

В зависимости от среды, в которой происходит движение электронов, фотоэлементы подразделяются на:

электронные (вакуумные) фотоэлементы, в которых движение электронов происходит в вакууме;

ионные (газонаполненные) фотоэлементы, в которых при движении электронов в разреженном газе происходит ионизация атомов газа;

полупроводниковые – в которых освобожденные электроны увеличивают проводимость приборов или создают ЭДС.

В электронных и ионных фотоэлементах используется внешний фотоэффект. Он заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов вещества дополнительную энергию, достаточную для выхода их из данного вещества в окружающую среду (вакуум или разреженный газ).

В фоторезисторах (фотосопротивлениях) используется внутренний фотоэффект. Заключается в том, что источник излучения вызывает увеличение энергии у части электронов вещества, ионизацию части атомов и образование новых носителей зарядов – свободных электронов и дырок, вследствие чего электрическое сопротивление вещества уменьшается.

В полупроводниковых фотоэлементах – фотодиодах и фототриодах используется фотоэффект возникновения ЭДС.

Фоторезистор – полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого резко изменяется под действием падающего на него излучения.

Фоторезистор (рис. 8.6, а) представляет собой стеклянную пластинку 1, на которую путем напыления в вакууме нанесен тонкий слой полупроводника 2, а по краям выведены два металлических электрода 3. При изготовлении полупроводниковый слой покрывается прозрачным лаком для защиты от влаги и механических повреждений. Пластинку помещают в корпус с двумя выводами.

Через неосвещенный фоторезистор проходит малый ток, называемый темновым I _т. При освещении фоторезистора через него идет общий ток I _св.

Разность между общим и темновым токами называется фототоком I _ф.

, (8.1)

В качестве полупроводника применяется сернистый свинец (фотоэлемент ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК).

Рис. 8.6. Фоторезистор: а) – устройство; б) – условное графическое и буквенное обозначение

Рис. 8.7. Фоторезистор: а) – схема соединения; б) – вольтамперная характеристика

Фоторезистор характеризуется интегральной чувствительностью к световому потоку, мкА/лм

, (8.2)

где I _ф – фототок, мкА; Ф – световой поток, лм.

Зависимость фототока от напряжения при постоянном световом потоке представляет собой вольтамперную характеристику фоторезистора (рис. 8.7, б).

Фоторезисторы обладают значительной инерцией, нелинейной зависимостью фототока от светового потока (световая характеристика при ) и сильной зависимостью электрического сопротивления от температуры, что является их недостатком.

Фоторезисторы нашли широкое применение в промышленной электронике, автоматике, вычислительной технике.

Полупроводниковый фотоэлемент – представляют собой прибор, в котором под действием падающего на него излучения возникает ЭДС, называемая фото-ЭДС.

Фотодатчики используют в схемах защиты, обеспечивающих отключение установки при попадании в опасную зону обслуживающего персонала, для подсчета деталей, контроля целостности режущего инструмента.

Фотореле разрабатываются на базе фоторезисторов (рис. 8.8) и применяются для управления наружным освещением улиц, площадей, территорий предприятий.

Рис. 8.8. Схема электрическая принципиальная фотореле

Оптоэлектрические датчики. Оптроны и оптоэлектронные реле является одним из основных элементов оптоэлектроники, получивших распространение в последние годы. Он состоит из источника – светоизлучателя (светодиода) 1 (рис. 8.9) и приемника излучения (светочувствительного детектора, фотодиода, фототранзистора или фототиристора) 2, связанных оптической средой и конструктивно объединенных в одном корпусе (оптопара).

Рис. 8.9. Оптоэлектронное реле

Диодные оптопары характеризуются термостабильностью, линейностью характеристик и используются в быстропереключающихся схемах.

Герконы. Магнитоуправляемые контакты впаяны в стеклянную колбу, заполненную, азотом или инертным газом, т.е. изолированы от внешней среды (герметизированы), поэтому их называют сокращенно герконами, что значит герметизированные контакты.

Рис. 8.10. Герконы:

а) – герконовое реле; б) – герконовый путевой выключатель

Контакты 1 (рис. 8.10) изготавливают из сплава железа с никелем.

Если к стеклянной колбе 3 геркона поднести постоянный магнит 5 с полюсами N и S (рис. 8.10, б), то контакты 1 намагничиваются и притягиваются друг к другу. При перемещении магнита на некоторое расстояние контакты разомкнуться.

Герконовое реле. Если вместо постоянного магнита на стеклянную колбу 3 геркона расположить обмотку управления постоянного тока 4 (рис. 8.10, а), то при включении реле по обмотке катушки будет протекать ток, образуется магнитное поле, которое намагничивает контакты 1, в результате чего они притягиваются друг к другу и при этом замыкают цепь управления.

Герконы и герконовые реле отличаются малыми габаритами, незначительной массой, высокими быстродействием и надежностью, виброустойчивостью, стабильностью контактного сопротивления.

Датчики скорости. Для получения информации о частоте вращения электродвигателя применяются тахогенераторы постоянного и переменного тока, которые преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал.

Тахогенераторы. Тахогенераторы постоянного тока (рис. 8.11, а) представляют собой небольшие генераторы постоянного тока с независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. Их устройство не отличается от устройства обычных машин постоянного тока. Основной характеристикой тахогенератора является зависимость выходного напряжения U _вых от угловой скорости : .

Рис. 8.11. Электрические схемы тахогенераторов:

а) – постоянного тока; б) – переменного тока

Схема асинхронного тахогенератора переменного тока показана на рис. 8.11, б). Устройство таких тахогенераторов не отличается от устройства асинхронного однофазного двигателя.

Для измерения частоты вращения вал двигателя механически соединяется с валом тахогенератора посредством передачи или встраивается в машины.

Датчик Холла. Основан на эффекте Холла – электромагнитном эффекте, в основе которого лежит отклонение движущихся электронов в магнитном поле.

В магнитном поле на движущиеся электроны воздействует сила.

Вектор силы перпендикулярен направлению, как магнитной так и электрической составляющих поля.

Если внести в магнитное поле с индукцией В (рис. 8.12, а) полупроводниковую пластинку (например, из арсенида индия или антимонида индия), через которую протекает электрический ток, то на боковых сторонах, перпендикулярно направлению тока возникает разность потенциалов. Напряжение Холла (ЭДС Холла) пропорционально току и магнитной индукции.

Рис. 8.12. Датчик Холла: а) – эффект Холла; б) – датчик Холла

Датчик состоит из постоянного магнита 2, пластины полупроводника 1 (рис. 8.12, б) и интегральной микросхемы. Между пластинкой и магнитом имеется зазор. В зазоре датчика находится стальной экран 3. Когда в зазоре нет экрана 3, то на пластинку 1 полупроводника действует магнитное поле и с нее снимается разность потенциалов. Если же в зазоре находится экран, то магнитные силовые линии замыкаются через экран и на пластику не действует, в этом случае разность потенциалов на пластинке не возникает.

Интегральная микросхема преобразует разность потенциалов, создающуюся на пластинке, в отрицательные импульсы напряжения определенной величины на выходе датчика. Когда экран находится в зазоре датчика, то на его выходе будет напряжение , если же в зазоре датчика экрана нет, то напряжение на выходе датчика близкое к нулю.

Дата добавления: 2014-01-06