Фотоэлектрические измерительные преобразователи

1. Фотоэлектрические измерительные преобразователи

Фотоэлектрические преобразователи
позволяют преобразовывать в
электрические сигналы информацию,
содержащуюся в видимом свете или
излучении соседних длин волн –
инфракрасном и ультрафиолетовом.

2. Фотоэлектрические преобразователи

Рисунок 3.15 – Оптическое излучение:
наименование областей и распределение их по спектру

3. Фотоэлектрические преобразователи

• Принцип действия фотоэлектрического
преобразователя основан на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в
полупроводниках.
• Внешние
радиационные
(световые,
тепловые ) воздействия обуславливают
появление в слоях 2 и 3 неосновных
носителей зарядов, знаки которых
противоположны
знакам
основных
носителей в р- и n-областях.

4. Фотоэлектрические преобразователи

5. Фотоэлектрические преобразователи

• Под влиянием электростатического притяжения разноименные
свободные
основные
носители диффундируют через
границу
соприкосновения
областей и образуют вблизи нее
р-n
гетеропереход
с
напряженностью электрического
поля ЕК..

6. Фотоэлектрические преобразователи

• Контактная разность потенциалов
• UK = s EK,
• потенциальный энергетический барьер
• WK = eUK
• для основных носителей, имеющих
заряд е.
• Напряженность поля EK препятствует их
диффузии за пределы пограничного
слоя шириной s.

7. Фотоэлектрические преобразователи

• Напряжение
• Uk = (kT/e)ln(pp/pn) = (kT/e)ln(nn/np)
• зависит от температуры Т,
• концентраций дырок (pp/pn) или электронов
(nn/np) в p- и n-областях,
• заряда электрона е и
• постоянной Больцмана k.

8. Фотоэлектрические преобразователи

• Для неосновных носителей EK движущее поле. Оно обусловливает
перемещение дрейфующих электронов
из области р в область n, а дырок – из
области n в область р.
• Область
n
приобретает
отрицательный заряд, а область рположительный, что эквивалентно
приложению к р-n переходу внешнего
электрического
поля
с
напряженностью EВШ, встречного с EK.

9. Фотоэлектрические преобразователи

• Поле с напряженностью EВШ - запирающее
для неосновных и движущее для основных
носителей.
• Динамическое
равновесие
потока
носителей через р-n переход переводит к
установлению на электродах 1 и 4 разности
потенциалов U0 - ЭДС холостого хода ФЭ.
• Эти явления могут происходить даже при
отсутствии освещения р-n перехода.

10. Фотоэлектрические преобразователи

• Пусть ФЭ облучается потоком световых
квантов (фотонов), которые сталкиваются со
связанными
(валентными)
электронами
кристалла с энергетическими уровнями W.
• Если энергия фотона WФ = hv (v - частота
волны света, h - постоянная Планка) больше
W, электрон покидает уровень и порождает
здесь дырку; р-n переход разделяет пары
электрон - дырка, и ЭДС U0 увеличивается.

11. Фотоэлектрические преобразователи

• Если подключить сопротивление нагрузки RН,
по цепи пойдет ток I, направление которого
встречно движению электронов.
• Перемещение дырок ограничено пределами
полупроводников, во внешней цепи их нет.
• Ток
I
возрастает
с
повышением
интенсивности светового потока Ф, но не
превосходит предельного тока In ФЭ, который
получается при переводе всех валентных
электронов
в
свободное
состояние:
дальнейший
рост
числа
неосновных
носителей невозможен.

12. Фотоэлектрические преобразователи

• В режиме короткого замыкания
(RН = 0, UН = I RН = 0)
• напряженность поля ЕВШ = 0, р-n
переход (напряженность поля ЕК)
наиболее интенсивно разделяет пары
неосновных носителей и получается
наибольший ток фотоэлемента IФ для
заданного Ф.

13. Фотоэлектрические преобразователи

• Но в режиме короткого замыкания (К3),
как и при холостом ходе (I = 0),
полезная мощность
P = UНI = 0,
• а для 0 < UН < U0 и 0 < I < IФ будет Р > 0.

14. Фотоэлектрические преобразователи

15. Фотоэлектрические преобразователи

• Фотодиоды
могут
работать
в
фотодиодном
и
генераторном
(вентильном) режимах.
• В фотодиодном режиме фотодиод
представляет собой параметрический
преобразователь и поэтому в данной
теме на рассматривается.

16. Фотоэлектрические преобразователи

• В генераторном режиме фотодиод
включают по схеме, приведенной на
рисунке 3.19, и он сам является
источником
тока.
Фототок,
напряжение
на
нагрузке
Uн
и
чувствительность преобразователя
можно
определить
по
ВАХ,
приведенной на рисунке 3.20.

17. Фотоэлектрические преобразователи

• Рисунок 3.19 – Схема включения фотодиода
при работе в генераторном режиме

18. Фотоэлектрические преобразователи

Рисунок 3.20 – Вольт-амперная характеристика
фотодиода при работе в генераторном режиме

19. Область применения фотоэлектрических преобразователей

• Фотоэлектрические преобразователи нашли широкое
применение для измерения неэлектрических
величин.
• Основными их достоинствами являются:
• - возможность проведения измерений без
непосредственного контакта с объектом измерения;
• - отсутствие механического воздействия на объект
измерения;
• - чувствительность к силе света и его спектру.
• Основным их недостатком является большая
погрешность преобразования, обусловленная, в
основном, усталостью, старением и зависимостью
параметров преобразователя от температуры

20. Область применения фотоэлектрических преобразователей

• Вследствие
этого
фотоэлектрические
преобразователи нашли применение в основном при
решении следующих измерительных задач.
• 1 При измерениях, в которых преобразователь
работает в импульсном режиме.
• Примером может служить измерение частоты
вращения вала, имеющего диск с отверстиями
(рисунок 3.21).
• Диск прерывает луч света, падающего на
фотоэлектрический преобразователь. В этом случае
измеряемая скорость вращения вала преобразуется
в частоту повторения электрических импульсов.

21. Область применения фотоэлектрических преобразователей

Рисунок 3.21 – Работа фотоэлектрического
преобразователя в импульсном режиме

22. Область применения фотоэлектрических преобразователей

• 2 В качестве прямого преобразователя в
измерительных приборах сравнения.
• 3 При измерении неэлектрических величин,
когда промежуточной величиной является
световая величина.
• Например, при измерении концентрации
вещества в растворе, когда промежуточной
величиной является изменение поглощения
света раствором.

23. Область применения фотоэлектрических преобразователей

• Для
уменьшения
погрешности
измерения фотоэлектрические преобразователи включаются в дифференциальные
или
компенсационные
измерительные цепи.
• Пример такой измерительной цепи,
служащей для измерения концентрации
раствора одним фотоэлектрическим
преобразователем, представлен на
рисунке 3.22.

24. Область применения фотоэлектрических преобразователей

25. Область применения фотоэлектрических преобразователей

• По этой схеме лучи света по двум каналам
поочередно освещают фотоэлектрический
преобразователь 1.
• Коммутация осуществляется с помощью
диска
2,
имеющего
отверстия
и
вращающегося
с
постоянной
угловой
скоростью
при
помощи
синхронного
двигателя СД.
• Световой
поток,
падающий
на
фотоэлектрический
преобразователь,
оказывается
промодулированным
по
интенсивности (рисунок 3.23).

26. Область применения фотоэлектрических преобразователей

27. Область применения фотоэлектрических преобразователей

• Переменная составляющая светового
потока
• Ф = ФП – Ф0,
(3.22)
• где ФП – световой поток, прошедший
через объект измерения 3;
• Ф0 – образцовый световой поток,
прошедший через оптический клин 4.

28. Область применения фотоэлектрических преобразователей

• Переменная составляющая светового потока
преобразуется в переменное напряжение и
усиливается. В рассматриваемом приборе оба
канала дифференциальной измерительной цепи
оказываются практически идентичными, что
позволяет
компенсировать
аддитивные
погрешности.
• Однако вследствие модуляции светового луча
снижается
частотный
диапазон
прибора,
увеличивается его инерционность. При таком
способе
измерения
частотный
диапазон
ограничивается частотой модуляции, причем
верхняя частота диапазона измерения должна
быть на порядок меньше частоты модуляции.