14. Объясните устройство и принцип действия фотоэлектрических преобразователей.

"Основы теории управления", стр. 51-54

Оптико-электронными называют преобразователи, в которых неизмеряемая неэлектрическая величина и выходная электрическая величина связаны потоком электромагнитного излучения оптического диапазона волн - (300 - 0,003) мкм. Оптико-электронный преобразователь, как правило, содержит источник излучения, в котором энергия излучения преобразуется в выходной электрический сигнал.

Источники оптического излучения делятся на тепловые (лампы накаливания) и люминесцентные (газоразрядные лампы, оптический квантовые генераторы-лазеры и светодиоды). Во многих случаях источником излучения является сам объект измерения.

Приёмники оптического излучения делятся на тепловые и фотоэлектронные. Принцип работы тепловых приёмников основан на преобразовании энергии излучения в тепловую с последующим её преобразованием в электрический сигнал. К ним относятся термоэлементы, болометры и пироэлектрики. Термоэлемент - это тонкий металлический диск с зачернённой поверхностью, которой касается рабочий спай термопары(диск под воздействием лучистой энергии нагревается). В болометрах используется изменение электрического сопротивления зачернённой тонкой полоски из проводникового или полупроводникового материала под действием повышения температуры, вызванного облучением. Пироэлектрик - это кристалл, электрическая поляризация которого изменяется при повышении температуры, вызванном поглощением падающего на него излучения.

Преобразование оптического сигнала в электрический осуществляется фотоприёмниками, использующие различные физические эффекты. Фотоэлектрические приёмники излучения делят на две группы - фотоэлектрические приёмники на основе внутреннего фотоэффекта и фотоэлектрические на основе внешнего фотоэффекта. Действие фотоэлектрических приёмников излучения основано на изменении электронной структуры вещества при его облучении. Основными типами таких приёмников являются фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, многоэлементные твёрдотельные приёмники излучения.

Внутренним эффектом называют процесс взаимодействия электромагнитного поля излучения с веществом, в результате которого энергия квантов излучения передаётся электронам вещества, изменяющим в нём своё энергетическое состояние.

Рассмотрим общее для большинства фотоприёмников параметры и характеристики, важные для их выбора: чувствительность, пороговые и шумовые характеристики, параметры временных и спектральных характеристик, энергетические характеристики.

Спектральная чувствительность S определяется как отношение изменения выходного сигнала фотоприёмника (напряжения dv или тока dl) к вызвавшему это изменение монохроматическому потоку Ф:

S = dV/dФ, S = dl/dФ.

Порогом чувствительности (пороговым потоком) Фn называют минимальную величину эффективного значения синусоидально-модулированного потока излучения, падающего на приёмник, при котором среднее квадратическое значение выходного сигнала равно среднему квадратическому значению шума в единичной полосе ∆f частот:

Фn =

где Sv - интегральная чувствительность по напряжению.

Порог чувствительности по напряжению характеризует способность фотоприёмника регистрировать малые сигналы.

Быстродействие приёмника характеризуется постоянной времени τnu называются частотной характеристикой - зависимостью чувствительност- промежутком времени, в течении которого сигнал на выходе приёмника излучения уменьшается в е раз после прекращения облучения приёмника. Более полно динамические свойства фотоприёмника опис и приёмника от частоты модуляции падающего на него потока излучения.

Спектральная чувствительность - это зависимость чувствительности фотоприёмника от длины волн λ. Спектральная характеристика определяется материалом, из которого изготовлен приёмник излучения. Например, CdS - максимальная чувствительность в зелёной области спектра, CdSe - в красной области.

Энергетические характеристики - это зависимость величины полезного сигнала на выходе фотоприёмника от величины потока излучения, падающего на его чувствительную площадку.

Действие фоторезисторов основано на эффекте фотопроводимости (внутреннем фотоэффекте), заключающемся в образовании свободных носителей зарядов в полупроводнике под воздействием падающего излучения (рис. 2.11).

Фоторезисторы находят широкое применение в силу своих преимуществ: обеспечение работы САУ в широком спектральном диапазоне, хорошая пороговая чувствительность.

Фотодиоды и их разновидности (лавинные фотодиоды, pin фотодиоды, дрейфовые фотодиоды), фототранзисторы относятся к группе приемников излучения с p - n переходами. Фотодиоды работают в фотовольтаическом режиме(без внешнего источника питания) и в фотодиодном режиме (с внешним источником питания). Схема включения фотодиодов показана на рис. 2.12.

Достоинства фотодиодного режима являются: большая чувствительность, меньшая инерционность, большая линейность энергетической характеристики; недостатком - большие шумы, Постоянная времени фотодиодов обычно 10^-5 - 10^-6 с.