Фотоэлементы и фотореле

Из эквивалентной схемы видно, что ток коллектора транзистора типа р-n-р одновременно является током базы, отпирающим тран­зистор n-р-n, а коллекторный ток последнего — базовым током, отпирающим транзистор типа р-n — р.

При увеличении прямого напряжения батареи с, подаваемого на ти­ристор, небольшое приращение тока в цепи эмиттера транзистора типа р-n-р  ΔIэ1 вы­зовет приращение тока в цепи коллектора этого же транзистора ΔIк1, что, в свою очередь, приводит к увеличению коллек­торного тока сопряженного транзистора ΔIк2 , а также коллекторного транзистора типа р-n-р ΔIк1. Далее процесс продол­жается, и ток эквивалентных транзисто­ров возрастает.

Наличие третьего вывода УЭ тиристоров значительно облегчает управляемость прибора. Увеличение тока в цепи тиристора может быть достигнуто независимо от величины приложенного напряжения путем введения дополнительного тока через управляющий электрод в одну из базовых областей структу­ры. Ток в цепи управляющего  электрода,  складываясь  с  общим током прибора, вызовет увеличение коэффициента усиления по току  транзистора р-n-р типа, в результате чего начнется лавинное нара­стание тока в цепи.

После отпирания тиристора за счет тока в цепи управляющего электрода управляющее действие его прекращается. Запирание ти­ристора может быть осуществлено путем изменения полярности напряжения на аноде или уменьшения тока, протекающего через прибор до значения, называемого током «удержания».

Из сказанного следует, что работа управляемого полупроводни­кового прибора подобна работе тиратрона, в котором управление включением анодной цепи выполняется подачей напряжения зажигания на сетку лампы.

По сравнению с тиратроном тиристоры имеют меньший вес и габариты, обладают большой механической прочностью и значи­тельно большим коэффициентом полезного действия. Тиристор мо­жет работать при более низких напряжениях питания.

Тиристоры обладают рядом преимуществ и перед мощными, транзисторами. Они могут работать при очень больших токах и более высоких обратных напряжениях.

Существенным недостатком тиристоров является то, что они не могут быть выключены с помощью управляющего сигнала.

В настоящее время тиристоры применяют в основном в устрой­ствах электропитания в качестве выпрямителей, преобразователей энергии, частотных преобразователей, в устройствах защиты элек­тронной аппаратуры.

§ 157. 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. 222, 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

отношением величины фототока (в мка или зла), 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. 222, 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. 223, 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. 223, 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. 224. 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.