Электрический глаз

May 7, 2010 by admin Комментировать »

В конце прошлого столетия рус­ский ученый — профессор (физики Московского универ­ситета А. Г. Столетов открыл замечательное явление. Ока­залось, что в некоторых веществах, на­пример в цинке, под действием света возникает электрический ток. Если на­править на цинковую пластинку яркий луч, прибор зарегистрирует появление слабого тока.

При воздействии на пластинку меня­ющимся по силе световым потоком электрический ток потечет через нее не равномерно, а будет соответствен­но меняться по силе.

Приборы, в которых под влиянием света возникает электрический ток, по­лучили наименование фотоэлементов. Называют их также электрическими «глазами» — ведь они превращают энергию света в энергию электричест­ва, по-своему «чувствуют» свет.

В настоящее время электрические «глаза» применяются в самых различ­ных областях науки и техники. Один из главных потребителей фотоэлемен­тов — звуковое кино. Именно с их по­мощью удается ясно и отчетливо вос­производить звук с его фотографиче­ской записи на киноленте.

Представьте себе, что кинопленка с записанным звуком движется, а на ее звуковую дорожку направлен очень тонкий луч света. Если мы будем наб­людать за этим лучом через пленку, то увидим, что он мигает. Это темные и светлые места звуковой дорожки то больше, то меньше заслоняют свет. Равномерный световой поток превра­тился в колеблющийся. Нетрудно дога­даться, что эти колебания в точности будут соответствовать записанным на звуковой дорожке. Вот тут-то и нужен электрический «глаз», чтобы колебания светового потока превратить в колеба­ния электрического тока.

Что происходит с колеблющимся электрическим током дальше, вам уже известно. Усилитель увеличивает сла­бые электрические колебания до необ­ходимого уровня, и громкоговоритель воспроизведет их как звук.

Устройство одного из фотоэлемен­тов — ЦГ-3, используемого в узкопле­ночных кинопроекторах, показано на рисунке 1. Это небольшой шарообраз­ный стеклянный баллон с двумя метал­лическими цилиндриками — выводами электродов. На внутреннюю поверх­ность баллона нанесен тончайший слой серебра (так называемая подкладка), а поверх него слой цезия — катод. Он соединен с цилиндриком меньшего ди­аметра и обозначается знаком «—». В центре стеклянного баллона на стер­женьке укреплено металлическое коль­цо — анод. Он соединен с цилиндри­ком большего диаметра, который обо­значается знаком « + ». Баллон фотоэ­лемента наполнен гелием.

На рисунке 2 дано условное графи­ческое обозначение ионных (газона­полненных) фотоэлементов. Внутри ок­ружности изображены горизонтальная черточка — анод и небольшая дуга внизу—катод. Жирная точка слева ука­зывает на то, что баллон заполнен га­зом.

Фотоэлемент ЦГ-3 относится к груп­пе приборов с внешним фотоэффек­том. Называют их так потому, что у них электроны под действием света вы­летают из катода в окружающее про­странство.

Другая группа — элементы с внут­ренним фотоэффектом. Это фоторези­сторы, фотодиоды и фототранзисторы.

Фоторезисторы — полупроводнико­вые резисторы, сопротивление которых изменяется под действием электромаг­нитного излучения оптического диапа­зона. Светочувствительный элемент у таких приборов представляет собой прямоугольную или круглую таблетку, спрессованную из полупроводникового материала, или тонкий слой полупро­водника, нанесенный на стеклянную пластинку — подложку. Полупроводни­ковый слой с обеих сторон имеет вы­воды для включения фоторезистора в электрическую цепь. Светочувствитель­ный элемент с выводами помещен в круглый, овальный или прямоугольный пластмассовый корпус небольших раз­меров (рис. 3).

clip_image004

На принципиальных схемах фоторе­зисторы обозначаются символом рези­стора, помещенного внутри окружнос­ти, рядом с которым, слева вверху, изображены две наклонные парал­лельные стрелки, направленные в сто­рону символа (рис. 4).

Электропроводность слоя полупро­водника изменяется в зависимости от его освещенности. Чем сильнее он ос­вещен, тем меньше его сопротивление и, следовательно, больше ток, который через него проходит. Таким образом, данный прибор может быть использо­ван для автоматического включения и выключения различных механизмов.

clip_image006

Фотодиоды являются разновиднос­тью полупроводниковых диодов с р-п переходом (см. «М-К» № 12 за 1982 г., «Улица с односторонним дви­жением»). Пока фотоэлемент не осве­щен, запирающий слой препятствует взаимному обмену электронов и дырок между слоями р и п. При облучении свет проникает в слой р и выбивает из него электроны. Освобожденные элект­роны проходят в слой п и там нейтра­лизуют дырки. В результате электриче­ское поле, создаваемое парами дополнительных носителей зарядов (электро­нов и дырок), в р-п переходе усили­вается и между выводами фотодиода возникает разность потенциалов — фо-тоЭДС величиной в несколько десятых долей вольта. Если к выводам присое­динить нагрузку, то через нее потечет постоянный ток. Такой режим фотодиода, называемый вентильным, используется для непосредственного преобразова­ния световой энергии в электрическую.

Фотодиоды, как и гальванические элементы, соединяют в батареи, чтобы получить большие напряжения и токи (последовательно или параллельно). На этом принципе устроены солнечные ба­тареи, вырабатывающие электрический ток за счет лучистой энергии солнца.

Условные графические обозначения солнечных элементов и батарей пост­роены на основе символа гальваниче­ского элемента, помещенного в окру­жность или в овал, с левой стороны кото­рого изображен знак фотоэлектриче­ского эффекта (рис. 5). На месте буквы п в обозначении солнечной батареи указы­вают число образующих ее элементов.

Фотодиоды могут действовать по­добно фоторезисторам. Для этого р-п переход полупроводникового при­бора запирают небольшим постоянным напряжением от внешнего источника питания.

Когда свет падает на фотодиод, со­противление запирающего слоя умень­шается и проходящий через него ток возрастает. При отсутствии освещения через фотодиод протекает незначи­тельный обратный (темновой) ток. Та­кой режим называют фотодиодным.

Внешний вид фотодиодов показан на рисунке 6. На принципиальных схемах их обозначают теми же символами, что и светодиоды (см. «М-К» № 1 за 1986 г., «Светящийся кристалл»), но две наклонные параллельные стрелки в обозначении фотодиода помещены сле­ва от круга и направлены в его сторо­ну (рис. 7).

Фототранзисторы — фотоэлементы,, основой которых служат транзисторы. Любой транзистор может быть превра­щен в фототранзистор. Дело в том, что у транзистора ток коллектора сильно зависит от освещенности коллекторно­го перехода. Чтобы в этом убедиться, осторожно спилите верхнюю часть кор­пуса и, подключив к транзистору исто­чник постоянного тока, осветите полу­проводниковый прибор. Если а коллекторную цепь включить миллиамперметр, он при сильном освещении кристалла транзистора покажет коллекторный ток в несколько миллиампер. Это свойство транзисторов широко используется ра­диолюбителями в различных электрон­ных самоделках.

Чем мощнее такие фотоэлементы и сильнее источники света, тгм значи­тельнее изменения коллекторного тока, тем эффективнее работа прибора. У транзистора П201, например, при осве­щении его кристалла электролампой мощностью 75—100 Вт коллекторный ток возрастает до 1 А. Такой ток до­статочен для питания электромотор­чика для игрушек, начинающего рабо­тать при освещении фототранзистора.

С практическим применением фото­транзистора предлагаем познакомиться на примере фотореле.

Фотореле служит для автоматическо­го включения или отключения различ­ных исполнительных устройств (элект­ролампы, звонка, приборов) при изме­нении освещенности. В качестве чувст­вительного элемента применен фото­транзистор (рис. 8).

Резистор R1 (рис. 10) и фототранзи­стор VT1 образуют делитель напряже­ния. При понижении освещенности со­противление VT1 возрастает и транзи­стор VT2 открывается, a VT3 закрыва­ется: реле К1 своей контактной систе­мой замыкает цепь питания исполни­тельного устройства.

Переменным резистором R1 регули­руют порог освещенности, R3 — порог чувствительности, им же можно расши­рить предел освещенности. Конденса­тор С1 предназначен для более четко­го срабатывания реле при большой чувствительности и изменениях осве­щения фототранзистора.

Фотореле собирают на гетинаксовой плате толщиной 1,5 мм (рис. 9) и раз­мещают в любом подходящем корпу­се, в котором прорезают окно разме­ром 5X5 мм. К нему с внутренней сто­роны корпуса приклеивают кусочек оконного стекла.

Фототранзистор изготавливают из транзистора серий МП40—МП42 (рис. 11). «Шляпку» полупроводниково­го прибора надкусывают по окружно­сти кусачками и удаляют. Затем к ободку приклеивают гайку М8—М10, а ее, в свою очередь, ,к стеклу.

Транзисторы МП25А можно заменить • а МП42А, МП266, МГТ21Г. Переменные резисторы R1, R3 — СПО-0,5 е ха­рактеристикой А, конденсаторы — эле­ктролитические К50-ЗБ, ЭМ, реле РЭС-10 (паспорт. РС4.524.304).или дру­гое с напряжением срабатывания 9 — 15 В и сопротивлением обмотки 175— 440 Ом.

Силовой трансформатор имеет на­пряжение; на вторичной обмотке 13 В, например, выходной трансформатор ТВК-110 кадровой развертки телевизо­ра, можно применить автономное пи­тание.

Правильно собранное устройство на­чинает работать сразу. В верхнем по схеме положении движков переменных резисторов R1, R3 и при закрытом фо­тотранзисторе должно срабатывать ре­ле К1. Если этого не происходит, про­верьте правильность монтажа или под-барите реле К1 по напряжению пита­ния. При нечетком срабатывании реле ослабьте пружину якоря. Резистор R1 установите на корпусе, чтобы удобнее было подбирать чувствительность.

А вот еще одна конструкция, дейст­вующая на -принципе преобразования света. Речь идет о радиоприемнике, ра­ботающем от солнечных или других световых лучей. Он воспринимает их встроенной в корпус «сетчаткой», со­стоящей из 20 фотодиодов КФДМ. Они преобразуют световую энергию в электрическую, достаточную для пита­ния радиоприемника, собранного по схеме 2-V-1 (рис. 12). Солнечная бата­рея развивает ЭДС 0,5 В, а ток, потре­бляемый радиоустройством, составляет 0,5 мА. Автор конструкции — И. Кар­тузов.

Входной контур ферритовой антенны WA1 настроен на I программу радио­вещания. Катушка L1 содержит 250, а L2 — 10 витков провода ПЭЛШО 0,2, намотанного на круглом ферритовом стержне 600НН длиной 60 и 0 8 мм. Конденсатор С1 составлен из трех па­раллельно включенных конденсаторов общей емкостью 880 пФ.

Сигнал с катушки L2 поступает на двухкаскадный усилитель радиочастоты на транзисторах VT1 и VT2. А после детектирования с помощью диодов VD1 и VD2 низкочастотная составляю­щая подается на однокаскадный УЗЧ (VT3), на выхода которого включен «наушник» ТМ-2А.

Дроссели L3, L4 — нагрузки транзи­сторов VT1, VT2 — намотаны на сдво­енных ферритовых кольцах марки Ф1000 и содержат по 320 витков про­вода ПЭЛШО 0,06. Внешний диаметр колец 7 мм, внутренний — 4 мм.

Резисторы УЛМ, МЛТ-0,25 или МЛТ-0,5, конденсаторы С2—С5 НЗО, С6 К53-6. Транзисторы имеют коэффициент уси­ления по току li2u=^90.

Фотодиоды солнечной батареи вклю­чены параллельно (рис. 13) в два ряда по 10 штук в каждом и выведены сво­ими рабочими площадками на перед­нюю панель радиоприемника. На тех же шинах, к которым припаяны фото­диоды, смонтированы и остальные эле­менты приемника.

Корпус радиоприемника (рис. 14) раз­мером 70X50X16 мм выполнен из орг­стекла. Внутри корпуса сделаны специ­альные углубления для ферритовой ан­тенны и солнечной батареи. Сзади к корпусу привинчена крышка из орг­стекла толщиной 1—1,5 мм.

В. КОНОВАЛОВ. Е. ЮРЬЕВ

Моделист-конструктор

OCR Pirat

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты