Фотоэлементы

Проводя занятия радиокружка, я однажды попросил ребят вспомнить и наз­вать автоматически действующие устройства и приборы, с которыми им при­ходится сталкиваться дома. Любые: тепловые, механические, электрические, электронные. Поначалу кое-кто даже растерялся: автоматы на заводах — понятно, а дома?

Однако это было временым замешательством. Назвали массу вещей и систем, содержащих элементы автоматики: авторучка, часы, центральное отопление, водопроводный вентиль, Электрохолодильник, сливной бачок туалетной комнаты, электросчетчик, электрозвонок, газовый счетчик, барометр, регулятор нагрева электроутюга, плавкий предохранитель электросети и многое другое. Да, все это автоматы, своеобразные роботы. Взять хотя бы плавкий предо­хранитель. Стоит превысить ток, на который он рассчитан, как он тут же накалится и расплавится — перегорит. А если вспомнить различные детские игрушки-каталки с заводными и электрическими двигателями, игры-аттракцио­ны? В них ведь тоже заложена автоматика. Еще больше автоматики ты можешь увидеть в школе, особенно в мастерских и физическом учебном кабинете.

А какие электромеханические и электронные автоматы, полезные для дома, школы, можно сделать своими руками? Вот об этом-то и пойдет разговор в этой беседе.

Но прежде поговорим об электрических датчиках и электромагнитных реле, являющихся важнейшими элементами электронной автоматики. Начнем с фотоэлементов — приборов, преобразующих световую энергию в электрическую.

Честь изобретения фотоэлемента принадлежит русскому ученому Алек­сандру Григорьевичу Столетову.

Будучи профессором физики Московского университета, А. Г. Столетов в 1888 г. провел такой эксперимент (рис. 264). Неподалеку друг от друга он расположил металлический диск и тонкую металлическую сетку, укрепив их на стеклянных стойках. Диск соединил с отрицательным, а сетку — с положи­тельным полюсами батареи. Между сеткой и батареей он включил чувстви­тельный электроизмерительный прибор — гальванометр с зеркальцем на под­вижной рамке вместо стрелки. Против гальванометра находился фонарик, а под ним полоска бумаги с делениями — шкала.

Пучок света от фонаря направлялся на зеркальце гальванометра, а отраженный от него зайчик, падал на шкалу. Даже самый незначительный ток, появлявшийся в гальванометре, поворачивал зеркальце, заставляя световой зайчик бежать по делениям шкалы. Продолжая опыт, А. Г. Столетов установил на некотором расстоянии от диска и сетки дуговой фонарь, свет которого, пронизывая сетку, освещал диск. Пока шторка дугового фонаря была закрыта, световой зайчик покоился на нуле шкалы. Но стоило шторку приоткрыть, как зайчик тотчас начинал перемещаться по шкалу, указывая на наличие тока в, казалось бы, разорванной цепи.

Рис. 264. Опыт А. Г. Столетова (справа — рисунок из его сочинения, на котором: А — дуговой фонарь; Б — батарея; С — два плоскопараллельных диска; G — гальванометр).

А. Г. Столетов, таким образом, установил, что свет «рождает» электри­ческий ток. Это явление мы теперь называем фотоэлектрическим эффектом (от греческого слова «фото»— свет и латинского слова «эффект»— действие). Ученый экспериментальным путем доказал, что некоторые материалы под действием света подобно нагретому катоду радиолампы могут испускать электроны. В его опытах свет выбивал из металлического диска «рой» электро­нов, которые притягивались положительно заряженной сеткой, образуя в цепи электрический ток. Этот ток мы сейчас называем ф о т о т о к о м.

В опытной установке А. Г. Столетова использовались два электрода, подобные электродам двухэлектродной лампы: диск —катод, сетка — анод. Когда диск освещался, в цепи возникал электрический ток, потому что в про­странстве между электродами появлялся поток электронов, выбитых светом из диска-катода. Она была первым в мире фотоэлементом. Значение фототока такого прибора зависело от свойств металла, из которого был сделан катод, напряжения батареи и природы света, освещавшего катод.

Катоды современных фотоэлементов делают из полупроводников. При этом образование свободных электронов, способных вылетать из катодов, идет во много раз интенсивнее, чем при использовании катодов из металлов.

Характерным представителем таких светочувствительных приборов можно считать фотоэлемент ЦГ-3, внешний вид и устройство которого показаны на рис. 265. Такие фотоэлементы используются, например, в некоторых кино­проекторах для преобразования пучка света, направленного на фонограмму ки­ноленты, в электрический сигнал звуковой частоты. Это небольшая шарообраз­ная стеклянная колба с двумя металлическими цилиндриками — выводами электродов. На внутреннюю поверхность колбы нанесен тончайший слой серебра (так называемая подкладка), а поверх него, — слой цезия (буква Ц в наименовании типа фотоэлемента). Это — катод. Он соединен с выводом меньшего диаметра, обозначенным знаком минус. В центре колбочки на стерженьке укреплено металлическое кольцо. Это — анод. Он соединен с выводом большего диаметра, который обозначают знаком плюс.

Рис. 265. Газонаполненный фотоэле­мент ЦГ-3 (а) и его схематическое изображение (б).

Рис. 266. Схема включе­ния фотоэлемента в элект­рическую цепь.

Колба фотоэлемента наполнена нейтральным газом (буква Г в его наи­меновании). Благодаря наличию этого газа можно получить большой фототок. Объясняется это тем, что электроны, летящие от катода к аноду, сталкиваются по пути с атомами газа и выбивают из них новые электроны, которые также летят к аноду. Остатки атомов — положительные ионы — летят к катоду. В ре­зультате общее число электронов, летящих к аноду, получается большим, чем в вакууме.

Возможная схема включения такого фотоэлектрического датчика в электри­ческую цепь показана на рис. 266. Здесь ФЭ — фотоэлемент; Rн— его нагрузочный резистор; Б— источник высокого постоянного напряжения, которым может быть батарея или выпрямитель переменного тока. Ток в цепи с фото­элементом ЦГ-3 при сильной освещенности катода и напряжении па ано­де 250 В не превышает 200 мкА. Но он почти в 200 раз больше тока при полном затемнении фотоэлемента. Это значит, что при перекрывании пучка света, направленного на фотоэлемент, фототек может измениться примерно от 1 до 200 мкА. Но ведь этот изменяющийся фототок можно усилить до значения, способного управлять другим электрическим прибором, например электродвигателем, включая его освещением и выключая затемнением фотоэле­мента. Получится фотореле.

Фотоэлемент, о котором я сейчас рассказывал, а также подобные ям приборы относятся к группе фотоэлементов с внешним фотоэффектом. Называют их так потому, что у них электроны под действием света выле­тают из катодов в окружающее их пространство.

Другая группа фотоэлементов — приборы с внутренним фотоэффектом. Это фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и некоторые другие светочувствительные приборы.

Фоторезистор (рис. 267) представляет собой тонкий слой полупроводника, нанесенный на стеклянную или кварцевую пластинку, запресованную в круглый, овальный или прямоугольный пластмассовый корпус небольших размеров. Полупроводниковый слой с двух сторон имеет контакты для включения его в электрическую цепь. Электропроводность слоя полупроводника изменяется в зависимости от его освещенности: чем сильнее он освещен, тем меньше его сопротивление и, следовательно, больше ток, который через него проходят. Таким образом, этот прибор под действием света, падающего на него, также может быть использован для автоматического включения и выключения раз­личных механизмов.

Рис. 267. Внешний вид (я), схематическое обозначение (б), устройство и включение (в) фоторезистора в электрическую цепь.

Рис. 268. Внешний вид (а), обозна­чение на схемах (б), устройство и схема включения (в) фотодиода.

Фотодиод, являющийся светочувствительным элементом с запорным слоем, по своему устройству напоминает плоскостной полупроводниковый диод (рис. 268). На пластинку кремния с электронной электропроводностью наплав­лен тонкий слой бора. Проникая в кремний, атомы бора создают зону, обладающую дырочной проводимостью. Между ними получается электронно-дыроч­ный переход. Снизу на слой N-типа нанесен сравнительно толстый контактный слой металла. Поверхность слоя R-типа покрыта тончайшей, почти прозрачной пленкой металла, являющейся контактом этого слоя.

Действует фотодиод так. Пока он не подвергается световому облучению, его запирающий слой препятствует взаимному обмену электронов и дырок между слоями р-п типов. При облучении свет проникает сквозь прозрачную пленку в слой р и «рождает» в нем электронно-дырочные пары. Дырки остаются в р слое, электроны переходят в слой п. В результате верхний электрод заряжается положительно, а нижний — отрицательно. Если к этим электродам присоединить нагрузку, то через нее потечет постоянный ток. Следовательно, фотодиод является прибором, в котором световая энергия превращается непо­средственно в электрическую.

Ты, вероятно, видел, а может быть, и сам имеешь фотоэкспонометр — прибор для определения выдержки при фотосъемке. Важнейшей частью этого прибора является кремниевый фотодиод. К нему подключен чувствительный гальванометр, по отклонению стрелки которого и определяют освещенность снимаемого предмета.

Фотодиод, имеющий площадь поверхности светочувствительного слоя 1 см2, при прямом солнечном освещении может дать ток примерно 20—25 мА при напряжении около 0,5 В. Но ведь фотодиоды, как и гальванические элементы, можно соединять в батареи, чтобы получать большие напряжения и токи. При­мерно так устроены, например, солнечные батареи, устанавливаемые на косми­ческих кораблях для питания аппаратуры.

Перспективы применения фотодиодов очень и очень заманчивы. И не только в автоматике. В жарких южных районах, например, где обилие солнечного света, от фотобатарей с большими площадями можно получать огромные ко­личества электроэнергии. Из них можно даже делать кровли домов: днем под действием света они будут заряжать аккумуля­торные батареи, а по вечерам накопленная элек­троэнергия будет использоваться для освещения.

Фототранзисторы являются светочувстви­тельными приборами, основой которых служат транзисторы. Почти любой транзистор может быть превращен в фототранзистор. Дело в том, что у транзистора ток коллектора сильно зави­сит от освещенности коллекторного р-п перехо­да. Чтобы в этом убедиться, осторожно спили верхнюю часть корпуса любого низкочастотного транзистора, включи транзистор в цепь постоян­ного тока и освети его (рис. 269). Если в кол­лекторную цепь включить миллиамперметр, он при сильном освещении кристалла транзистора покажет возрастающий до нескольких миллиампер коллекторный ток. Это свойство транзисторов, аналогичное свойствам фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, широко используется радиолюбителями-экспериментаторами в самодельных приборах-автоматах.

Чем мощнее такие фотоэлементы и сильнее источники света, тем значи­тельнее изменения коллекторных токов, тем эффективнее работа приборов. У транзистора П213, например, при освещении его кристалла электролампой мощностью 75 — 100 Вт коллекторный ток возрастает до 1 А и больше. Такой ток достаточен для питания, например, малогабаритного электродвигателя «Пионер», начинающего автоматически работать при освещении фототранзис­тора.

Рис. 269. Фототранзистор и схема его включения.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель