Фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом

     Фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

   Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или ионный прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств.
 Внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия заключается в том, что источник излучения сообщает части электронов дополнительную энергию, достаточную для выхода их вещества в окружающую среду (в вакуум или разрежённый газ). В вакуумных или электронных фотоэлементах движение происходит в вакууме, в газонаполненных или ионных фотоэлементах электроны перемещаются в разреженном газе и ионизируют атомы газа.

 
Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (изо) имеет стеклянную колбу 2, в которой создан вакуум (в вакуумном фотоэлементе) или после откачки воздуха колба заполнена разреженным газом (аргоном при низком давлении - в ионных фотоэлементах).

Внутренняя поверхность колбы, за исключением небольшого "окна" для прохождения светового потока 1, покрыта фотокатодом 3, который представляет собой слой серебра (подложка), на который нанесен полупроводниковый слой окиси цезия.
Анод 4 фотоэлемента изготовляют в виде кольца, чтобы он не преграждал путь световому потоку к катоду. Колба помещается в пластмассовом цоколе 5, в нижней части которого находятся контактные штырьки 6 с выводами от анода и катода.

Под действием приложенного напряжения U источника питания между анодом и катодом фотоэлемента создается электрическое поле, и электроны, вылетающие с освещенной поверхности катода, направляются к положительно заряженному аноду. 

 

  Таким образом, в цепи установится фототок Iф, зависимость которого от светового потока Ф при неизменном напряжении источника питания (Ifr=f(Ф)) называется световой характеристикой. В ионном фотоэлементе электроны ионизируют атомы газа и увеличивают поток электронов т. е. увеличивают ток фотоэлемента, повышая его чувствительность.

Фотоэлектронная эмиссия и фототок фотоэлемента зависят от длины волны светового излучения, поэтому помимо световой чувствительности фотоэлементы характеризуются спектральной чувствительностью.

Анодные вольт амперные характеристики фотоэлементов показывают зависимость фототока от приложенного к зажимам фотоэлемента напряжения при неизменном световом потоке, освещающем фотокатод, т. е. Iф =f(U) при Ф = const.

  У электронного фотоэлемента фототок сначала быстро растет при увеличении напряжения, а затем рост его замедляется и, наконец, почти совсем прекращается, т. е., наступает режим насыщения (изо, а).
 Для ионных фотоэлементов анодная вольт амперная характеристика после горизонтального участка (электронный ток) поднимается вверх вследствие ионизации газа (изо, б).
В процессе работы фотоэлементов их параметры со временем изменяются, т. е. проявляется свойство их "утомляемости".
Обычно фотоэлементы используют совместно с ламповыми или транзисторными усилителями вследствие малого значения фототока, который может быть получен от фотоэлемента.

 Наряду с фотоэлементами существуют фотоэлектронные приборы с усилением фототока, называемые фотоэлектронными умножителями. Эти приборы с внешним фотоэффектом, в которых фототок усиливается под действием вторичной электронной эмиссии.

 Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем.

  Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излучения световой энергии вызывает увеличение энергии у части электронов вещества, ионизацию атомов и образование новых носителей зарядов (электронов и дырок), вследствие чего уменьшается электрическое сопротивление освещаемого материала.  Если при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещаемого вещества, то при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри вещества,увеличивая количество носителей электрических зарядов.
 Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом называются фоторезисторами (фотосопротивлениями). Они представляют собой полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых резко изменяется под действием падающего на них светового излучения. В качестве полупроводников применяют сернистый свинец (фоторезистор ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК).  Фоторезисторы ФСА применяются в инфракрасной, а остальные — в видимой области света. Чувствительность фоторезисторов значительно выше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом, так что в ряде устройств фоторезисторы заменяют ранее используемые фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Фоторезистор представляет собой (изо, а) стеклянную пластинку 1, на которую нанесен тонкий слой полупроводника 2, покрытый прозрачным лаком для защиты от механических повреждений и влаги. По краям выведены два металлических электрода 3. Фоторезистор помещен в пластмассовый корпус с двумя штырьками, к которым присоединяются электроды. Условное обозначение и схема включения фоторезистора показаны на изо, б.

Фоторезистор:а - схема устройства,б - схема включения и условное обозначение ФР,в - вольт амперная характеристика;1 - пластинка, 2 - слой полупроводника, 3 -электроды

Фоторезистор работает только от внешнего источника питания и имеет одинаковое сопротивление в обоих направлениях.
Неосвещенный фоторезистор обладает большим «темновым» сопротивлением Rт (от сотен килоом до нескольких мегаом) и через него проходит малый «темновой» ток Iт. При освещенном фоторезисторе его сопротивление резко уменьшается и ток увеличивается до некоторого значения Iс, зависящего от интенсивности освещения. Разность между токами при освещении и «темновым» называется фототоком, т. е.
Iф = Iс - Iт.
Вольт амперная характеристика фоторезистора (изо, в), т. е. зависимость фототока от напряжения источника питания при неизменном световом потоке Iф = f(U) при
Ф = const линейна. Видно, что прямая затенённого положе, чем освещённого.
Это говорит о меньшей чувствительности неосвещённого элемента. К недостаткам фоторезисторов относится их инерционность (при освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время), нелинейность световой характеристики (фототок возрастает медленнее, чем сила света), зависимость электрического сопротивления и фототока от температуры окружающей среды. Фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое, называющиеся вентильными фотоэлементами, имеют запирающий слой между полупроводниками с р-и n-проводимости. В этих фотоэлементах под воздействием светового излучения возникает ЭДС, называемая фото-эдс. Для изготовления вентильных фотоэлементов применяют селен, сернистый таллий, сернистое серебро, германий и кремний.

 Схема устройства кремниевого
вентильного фотоэлемента1 - пластина кремния,2 - слой полупроводника

 Освещение поверхности фотоэлемента вблизи р-n-перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей зарядов - электронов и дырок.
Под действием электрического поля р-n-перехода образующиеся в результате ионизации атомов кристалла электроны переходят в слой n, а дырки — в слой р, что приводит к избытку электронов в слое n и дырок в слое р.
Под действием разности потенциалов (фото-эдс) между слоями р и n во внешней цепи проходит ток I, направленный от электрода р к электроду n. Этот ток зависит от количества носителей зарядов - электронов и дырок, т. е. от силы света.

Чувствительность вентильных фотоэлементов высока (до 10 мА/лм), они не требуют источника питания и находят широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной технике и т. д. Принцип устройства кремниевого фотоэлемента с запирающим слоем показан на изо.
На пластину кремния 1 с примесью, создающей электронную проводимость, вводят примесь бора путем диффузии в вакууме, в результате этого образуется слой полупроводника с дырочной проводимостью 2 очень малой толщины, так что световые лучи свободно проникают в зону перехода. Батареи кремниевых элементов находят применение для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Такие преобразователи, называемые солнечными батареями, применяют, например, на искусственных спутниках Земли для питания их аппаратуры.
Полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными р-n-переходом, называемый фотодиодом, может работать как с внешним источником питания (преобразовательный режим), так и без внешнего источника (генераторный режим). При работе в генераторном режиме фотодиода его освещение вызывает возникновение фото-эдс, под действием которой во внешней цепи через нагрузку проходит ток, т. е. источником питания является фотодиод.  При работе в фотопреобразовательном режиме напряжение внешнего источника питания приложено встречно фото-эдс и фотодиод подобен фоторезистору с более высокой чувствительностью.
Если фотодиод не освещен, то через него проходит не большой обратный ток (темновой ток) под действием внешнего источника питания. При освещении электронной области фотодиода образуются носители зарядов - электроны и дырки. Дырки доходят до р-n-перехода и под действием электрического поля переходят в р-область, т. е. освещение вызывает увеличение числа перешедших неосновных носителей из n-области в р-область, и, следовательно, ток в цепи возрастает (возникает фототок).
 

Курс по радиоэлектронике 2012

 

Светодиоды и магнитофоны - катушечные СССР

   Добрый День всем читателям данного сайта.

 В на шее время смотря на магазины и прилавки авто запчастей, мы с Вами друзья, видим много интересного, а именно много интересных, можно так сказать украшений для наших автомобилей, светодиодные ленты, подсветки неона собранных на светодиодах и т.п.
 У меня вопрос, к Вам дорогие читатели - а помнит ли кто то из Вас где были использованы светодиоды еще? Особенно в советское время? Конечно же были. Так как у меня есть увлечение советской радиотехникой. Я Вам немного опишу использование светодиодов в советской радио индустрии. Вот возьмем к примеру Магнитофон-катушечный Олимп 004 Стерео (аппарат довольно таки известен в среде радиолюбителей и меломанов, музыкантов.

   Данные характеристики приведены ниже: ''Олимп-004-стерео''
Магнитофон-приставка ''Олимп-004-стерео'' предназначен для высококачественной записи стереофонических монофонических фонограмм и последующего их воспроизведения, через головные телефоны, или внешнее УКУ с акустическими системами. В аппарате применен ЛПМ с прямым приводом вала и электронно-логическим управлением режимами работы.  Имеются автостоп при окончании магнитной ленты на катушке,  устройства автоматической стабилизации при натяжения ленты, а также электронной стабилизации частоты вращения ведущего двигателя, электронный счётчик расхода ленты с авто поиском по паузам в фонограммах. В дополнение к раздельным регуляторам уровня записи по двум каналам, введен регулятор позволяющий изменять его одновременно в двух каналах,  предусмотрена возможность использования блока, для дистанционного управления режимами работы на ИК лучах - ''Олимп-4''. Скорость ЛПМ 9,53/19,05 см/сек.  Коэффициент детонации на скорости 9,53 ±0,15%/19,05 ±0,08%. Рабочий диапазон частот на скорости 9,53 - 31,5...16000 Гц, 19,05 - 31,5...22000 Гц. Коэффициент гармоник на ЛВ - 1,5...2,0%. Относ. уровень шумов и помех в канале записи/воспроизведения - 60 дБ. Мощность, потребляемая от эл. сети не более 100 Вт. Габаритные размеры магнитофона-приставки ''Олимп-004-стереро'' без упаковки - 513х464х220 мм.  Его масса 28 кг.

   И еще один аппарат который достоин нашему вниманию-Блочный усилитель Эстония 010 стерео. 

  Стереофонический усилитель мощности ''Эстония УМ-010С'' предназначен для усиления сигналов 3Ч, поступающих от однотипного или другого предварительных усилителей ЗЧ. УМ имеет светодиодные индикаторы режимов работы, электронную защиту от перегрузок ПУ, стерео телефоны, две пары АС.     

Основные технические характеристики: ''Эстония УМ-010С'': 

  Выходная мощность: синусоидальная (номинальная) - 2х50, музыкальная - 2х85 Вт. Номинальный диапазон воспроизводимых ЗЧ - 20...25000 Гц.  Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц - 0,005%, 20 кГц 0,03%.  Отношение сигнал/взвешенный шум - 105 дБ.  Переходное затухание каналов - 56 дБ.  ЭДС,  соответствующая номинальной выходной мощности, 0,8...1 В.  Мощность, потребляемая от электрической сети - 150 Вт. Габариты усилителя мощности - 460х360х80 мм. Масса - 12,2 кг.  Цена - 290 рублей.  Усилитель мощности выпускался с 1987 года как отдельное устройство, а в блочной радиоле ''Эстония-010-стерео'' 1983 годы выпуска применялись активные акустические системы ''АС 25АС-311'' или ''АС 25АС-313''.

 Усилитель предварительный выпускался как для работы в составе блочной радиолы ''Эстония-010-стерео'',  так и для отдельной работы   как автономный блок.  В предварительном усилителе ''Эстония-УП-010-стерео'' имеется плавная,  раздельная по ВЧ и НЧ регулировка тембра,  ограничение диапазона ЗЧ снизу,  фиксация АЧХ,  индикация уровня выходного сигнала и перегрузки.  Помимо входов и выходов,  предназначенных для стыковки с блоками усилителя мощности, электропроигрывателя, тюнера и т.д.,  в предусилителе имеются входы и выходы  для двух магнитофонов,  с возможностью перезаписи фонограмм,  универсальный  вход,  выход для подключения стерео телефонов.   Технические характеристики:
 Номинальный диапазон частот, Гц 20...20000. Диапазон регулирования тембра, дБ (на частотах 40 и 16000 Гц) ±12. Переходное затухание между каналами, дБ, не менее,  на частоте 1 кГц - 48. Коэффициент гармоник, %, не более - 0,03. Отношение сигнал/взвешенный шум, дБ, не менее - 71. Габариты, мм. - 460х80х360. Масса, кг не более - 10.

 

Ну и конечно же Олимп 005 й Стационарный катушечный магнитофон-приставка высшего класса со сквозным трактом записи и воспроизведения предназначен для работы в составе радио комплекса. Магнитофон имеет микроконтроллерное программное управление, кварцевую систему стабилизации скорости движения магнитной ленты, автокоррекцию амплитудно-частотных характеристик канала  записи,  электронную коммутацию по всем входам, регулировку тока подмагничивания. В модели имеется полный авто реверс, возможность поиска нужного фрагмента фонограммы по паузам (в режиме обзор и память),  включение магнитофона в одно,  заранее установленное время (режим таймер),  люминесцентную индикацию уровня записи, электронный счетчик ленты. Все магнитофоны-приставки по конструкции, электрической схеме и пара метрам имеют много общего между собой, хотя имеются и незначительные, но существенные отличия.

   Основные технические характеристики моделей: Олимп 005 

  Скорость ленты 19,05 и 9,53 см/с;  рабочий диапазон частот на большей скорости - 20...25000 Гц, меньшей - 20...18000 Гц; коэффициент детонации соответственно - 0,08 % - 0,15%; коэффициент гармоник на скорости 19,05 см/с около 1,5%; соотношение сигнал/шум на скорости 19,05 см/с -60, 9,53 см/с -56 дБ потребляемая мощность 100 Вт; габариты - 460х450х220 мм; масса 20 кг.

  

Ремонт, обслуживание, настройка и доставка таких магнитофонов и усилителей по Украине   пишите на почту! 

Межкомнатная дверь с светодиодным рисунком (подсветкой)

  Берём дешевые доски, чтобы дверь была прямой и устойчивой. К тому же, я использовал четыре слоя стекла – два наружных толщиной 3 мм из полированного стекла и два внутренних толщиной 3 мм из оргстекла, на которых и выгравирован рисунок. Мне пришлось использовать оргстекло, потому что оно лучше проводит свет, чем обычное стекло.

  Это четыре листа стекла (довезти до дома их было непросто, но это уже другая история). Кстати, они зеленые потому, что покрыты защитным пластиком. Это первый кусок дешевой древесины, выпиленной по нужной форме. На самом деле, ничего интересного – все пилишь, пилишь… К тому же, мне пришлось использовать фрезерный станок, чтобы срезать со всех досок по 2 мм: я купил доски толщиной 22 мм, а толщина двери – 40 мм. Чертовски много возни. Кроме того, надо было вырезать пазы для стекол.

Все доски уже выпилены по нужной форме. В двух досках посередине, к тому же, пропилены пазы. Как видите, в среднем слое дешевых досок используется более крупная стружка. Это нижняя часть двери. Поскольку дверь довольно тяжелая, я побоялся, что обычные шурупы для дерева не выдержат, поэтому выпилил небольшие пазы между двух слоев деревянных досок и вклеил в них по три гайки и прокладки M5 (A4 из нержавеющей стали – чтобы наверняка). Ниже – фотография пазов для двух гаек 6 мм и двух резьбовых стержней. Они служат опорой для стекла. Стекло подается через нижнюю часть двери (сверху было бы легче, но это невозможно из-за большой конструктивной
прочности рамы). Под стеклом находится доска и два резьбовых стержня. Между ними тоже расположен кусок дерева – чтобы укрепить конструкцию и распределить вес. Снимок гаек и прокладок для петли крупным планом. Сама петля и шурупы уже прикручены, чтобы гарантировать, что гайки приклеются в нужном месте.  
Все склеено и заполнено наполнителем. Мне пришлось использовать наполнитель, чтобы выровнять поверхность, потому что в середине плотность досок меньше. Кроме того, я аккуратно подпилил кромку с помощью фрезеровочного станка. Я понадеялся, что краски окажется достаточно, чтобы заполнить все неровности и сделать дерево гладким… увы, не вышло. Здесь тоже пришлось использовать наполнитель.
 Светодиоды! Если быть точным – 120 штук, 60 синих и 60 белых. Они будут подсвечивать стекло. Держатели для светодиодов, сделанные из полосок оргстекла толщиной 3 мм размером 1 х 62 см. Я вырезал по отверстию для каждого светодиода и для каждого резистора (один резистор на три светодиода). Кроме того, пришлось прорезать паз для шнура. Он будет расположен над и под стеклом, под тяжестью одного листа оргстекла.  Снимок полосок со светодиодами крупным планом – смотрится как художественная фотография. Белые кажутся синеватыми – забыл отрегулировать баланс белого на камере… Это первый слой стекла с выгравированным на нем рисунком (он будет синий) и второй (будет белый). Оба слоя, соединенные друг с другом. Гравировка расположена на обоих листах с разных сторон. В идеале, было бы здорово выгравировать рисунок на обоих листах с одной и той же стороны, однако в таком случае изображение смотрелось бы прекрасно под прямым углом, но двоилось бы при взгляде под углом (рисунки бы не совпадали друг с другом на 3 мм). Поэтому те стороны, на которых вырезан рисунок, расположены лицом друг к другу. Проблема в том, что при этом рисунок кажется несколько четче с одной стороны, чем с другой. Правда, в результате все оказалось не так страшно, как я ожидал. Обратите внимание: синий и белый цвета слегка накладываются друг на друга. На
фотографии синий кажется очень неоднородным, но на самом деле, он смотрится гораздо лучше. Так вышло потому, что белый здесь показан с «правой» стороны, а синий – с «изнанки».     

А вот, наконец, дверь целиком в освещенной комнате. Свет в прихожей отключен. Стекло абсолютно прозрачно, но на фотографиях, сделанных при включенном свете, рисунок смотрится плохо. Правда, в реальности этой проблемы нет. 

 Источник:   Сборник мастер-класс 2012