Фотоэлектрические преобразователи в народном хозяйстве

June 15, 2015 by admin Комментировать »

Фотоэлектрические преобразователи применяют для преобразования световой энергии в электрическую. По принципу действия их разделяют на три основные группы: с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и вентильного типа.

Внешний фотоэффект проявляется в том, что под действием света электроны выбиваются с поверхности металла, порождая фототок. Приборы, принцип действия которых основан на внешнем фотоэффекте, получили название фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей.

Внутренний фотоэффект проявляется в изменении проводимости материалов под действием света. Приборы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, называются фоторезисторами. Изменение проводимости под действием света наблюдается н у полупроводниковых приборов. Обратный ток р-п переходов при освещении светом резко возрастает. Это свойство используется в фотодиодах н фототранзисторах.

Действие вентильных фотоэлементов проявляется в возникновении э. д. с. на электродах под действием света. Вентильные фотоэлементы отличаются высокой чувствительностью н в ряде схем применяются без дополнительных источников питания.

В радиолюбительской практике используются фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Фотоэлементы используются редко. Фотоэлектронные умножители применяются радиолюбителями только в приборах для регистрации радиоактивных излучений с помощью сцинтилляцноиных кристаллов и жидкостей. Вентильные элементы в конструкциях радиолюбительских приборов, демонстрировавшихся на всесоюзных радиолюбительских выставках последних лет, не встречались.

Рассмотрим типовые схемы включения фотоэлектрических преобразователей.

На рис. 2-47,а показана схема фотоэлектронного реле, которое находит самые разнообразные применения: автоматы для включения освещения на улицах, на лестничных клетках, в домах и т. д.; счетчики готовой продукции, приборы для автоматического открывания дверей, ворот и многие другие. В качестве фотопреобразователя можно использовать вакуумные фотоэлементы типов ЦВ-1, ЦВ-3. Схема работает на переменном токе и срабатывает при освещении фотоэлемента. Уровень освещенности, необходимой для срабатывания, устанавливается переменным резистором /¾. В приборе могут быть использованы лампы типов 6Н1П, 6СЗП и др. Номиналы остальных элементов определяются выбором фотоэлементов н ламп.

Другое применение фотопреобразователей—использование их для измерения оптической плотности различных материалов (жидкостей, газов, пыли, аэрозолей, кристаллов и др.), которая в свою очередь определяется изменением концентрации, плотности, запыленности и т. д.

Схема оптического концентратомера изображена на рис. 2-47, б. Слева показана схема оптики, справа — электронного блока. Луч света от осветительной лампы Лосв через светофильтр / попадает на призму 2, которая делит его на два потока. Один поток через объектив 3, отражатель 5, кювету с раствором известной концентрации 7, диафрагму 9, объектив Пи здщит-

Рис. 2-47, ное стекло 13 попадает на фотоэлемент Л\. Другой поток света через аналогичную систему линз, отражатель и диафрагму проходит через кювету 8 с раствором неизвестной концентрации и попадает на фотоэлемент Л* Фотоэлементы включены навстречу один другому, и разностный ток, вызванный разными потерями света в растворах с различной концентрацией, попадает на вход усилителя (лампа Л3), а с него —на вход электронно-оптического индикатора (лампа Л i). При равенстве освещенностей фотоэлементов разностного тока не будет и индикатор покажет отсутствие сигнала. Экран индикатора будет максимально освещен. При появлении разностного тока на экраве индикатора появится теневой сектор. С помощью ручки привода диафрагмы 10 добиваются выравнивания освещенностей, т. е. исчезновения теневого сектора на экране элетроннооптнческого индикатора. Предварительная балансировка оптического тракта прибора осуществляется диафрагмой 9, балансировка электронного тракта — переменными резисторами Я2 и Яг.

Приборы, построенные по компенсационной схеме измерения, отличаются достаточно высокой чувствительностью, точностью и стабильностью градуировки. Шкала привода диафрагмы 10 обычно градуируется в измеряемых концентрациях по калиброванным растворам. Рассмотренный принцип действия может быть использован для сравнения степени запыленности воздуха, степени его загрязнения, для сравнения окраски различных материалов (по отраженному свету) и для многих других сходных применений.

Рис. 2-48.

Автомат для правки диагонального перекоса утка (авторы конструкции А. И. Волков, А. Б. Палей, Л. И. Алисов). Принцип действия прибора основан на слежении фотодатчика за встречным диффузным светом, отраженным от уточных нитей. Автомат состоит из четырех основных частей: датчика, преобразователя постоянного тока в переменный, усилителя переменного тока н фазочувствительного усилителя мощности (рис. 2-48). Датчик состоит из осветительной лампы н двух расположенных симметрично относительно нее фоторезисторов ФСг н ФС* Прн отсутствии перекоса оба фотОрезнстора освещены одинаково отраженным от нитей светом, и так как они включены в противоположные плечн сбалансированного измерительного моста, то сигнал разбаланса равен нулю. При возникновении перекоса однородность освещения фоторезисторов нарушается н в измерительной диагонали появляется сигнал разбаланса. Этот сигнал через преобразователь постоянного тока в переменный поступает на вход четырехкаскадного усилителя. С выхода усилителя сигнал поступает на вход фазочувствительного усилителя мощности, выполненного на лампе Лз. Питание анодов этой лампы производят от разных обмоток силового трансформатора, включенных навстречу друг другу. Прн отсутствии сигнала разбаланса обмоткн обоих реле, включенные в анодные цепи ламп, питаются током покоя, недостаточным для срабатывания реле. Усиленный сигнал разбаланса поступает на управляющие сетки обеих половин ламп усилителя мощности. В той половине лампы, в которой фаза питающего напряжения совпадает с фазой сигнала разбаланса, ток резко возрастает и срабатывает реле. Контактами реле прн этом включаются исполнительные механизмы, устраняющие перекос. Для того чтобы не произошло одновременного срабатывания обоих реле, обмотки нх включены через нормально замкнутые контакты друг друга, как показано на схеме.

Измеритель дозы ультрафиолетового облучения (автор конструкции П. В. Язев) состоит из датчика для преобразования ультрафиолетового излучения в электрический ток и. усилителя сигнала со стрелочным индикатором (рис. 2-49). Датчик состоит из соеди-

Рис. 2-49.

йеиных послеДовательно-параллельно четырех фоторезисторов ФСi—ФС*, заключенных в светонепроницаемый корпус с темным светофильтром, срезающим видимую часть спектра излучения. Усилитель собран на транзисторах Т\ — Г3. Все транзисторы охвачены глубокой отрицательной обратной связью (через резистор R\). Обратная связь стабилизирует положение рабочей точки первого транзистора. Для обеспечения стабилизации напряжения на коллекторах в эмиттериые цепи транзисторов Г2 н Г3 включены стабилитроны Д\ и Д§. Шунты, включенные параллельно стрелочному индикатору, позволяют проводить измерения в широких пределах. Прибор прост по конструкции и стабилен в работе.

Установка аварийной сигнализации влажности в кабельном канале (авторы конструкции С Т. Машков, Е. В. Ланков). Датчик влажности i (рис. 2-50, а) — гигроскопический волос, удлиняясь нли укорачиваясь прн изменении влажности, передвигает связанную с

Рнс. 2-50.

ним диафрагму с двумя отверстиями, положение которых определяет необходимые пределы регулирования. По одну сторону диафрагмы расположен источник света 2, а по другую — фотодиоды. В тот момент, когда одно из отверстий окажется над рабочей поверхностью одного из фотодиодов, сработает поляризованное реле Р\ и посредством своего перекидного контакта включит обмотку одного из силовых реле Р2 цдн Р% (в зависимости от того, какой из диодов оказался освещенным), которые в свою очередь включат электрический звонок н лампу сигнализации аварийного возрастания или уменьшения влажности. Несмотря на кажущуюся простоту, прибор отличается высокой чувствительностью, определяемой свойствами гигроскопического волоса н массой диафрагмы.

Установка аварийной сигнализации может найти применение не только при контроле влажности в кабельном канале, но и при контроле влажности н температуры в зернохранилищах, музеях, складах и библиотеках. При этом при нзмереиин и контроле температуры столбнк ртути служит заслонкой, как показано на рис. 2-50,6 (1, 2 — фотодиоды, 3 — диафрагма с отверстиями, 4 — капилляр с ртутью, 5 — осветительная лампа).

Устройство для управления работой краскораспылителей (авторы конструкции С. К. Турчановский, В. А. Пудов). Оно предназначено для автоматизации окраски кож.

В настоящее время этот процесс довольно трудоемок и преимущественно проводится вручную. Попытки внедрения в производство различных систем автоматизации, принцип действия которых основан на непосредственном контроле кожи в зоне окраски, окончились неудачей. Основная причина этого загрязнение датчиков краской. Применение систем с запоминанием, у которых датчики вынесены за пределы зоны окрашивания, также связано с преодолением определенных трудностей, а именно: истирания н обрывов магнитофонных лент, используемых в качестве запоминающих устройств, загрязнения сетчатых дисков н др.

Авторы успешно справились с отмеченными трудностями. Как работает их устройство? Лист кожи К (рис. 2-51) произвольной

Рис. 2-51.

формы, двигаясь по транспортеру, перекрывает свет от осветителей, падающий на расположенные поперек транспортера фоторезисторы Эти фоторезисторы включены в блок 1 формирования сигнала таким образом, что в зависимости от того, освещены они нли нет, на выходе блока появляется напряжение определенной полярности, которое подается в блок запоминания 2. Блок запоминания представляет собой вращающийся барабан, на поверхности которого размещены в определенной последовательности группы контактов. По контактам скользят два токосъемника. По одному из них подается напряжение с блока формирования, с другого снимается задержанный на время прохода куска кожи от фоторезисторов до краскораспылителей сигнал, управляющий блоком подачи краски 4 через командный блок <?. Таким образом, в приборе за счет применения временной задержки удалось вынести управляющие процессом окраски фоторезисторы в зону, где окраска не производится. Тем самым исключен выход из строя датчиков из-за загрязнения н повышена надежность всего устройства.

Упрощенная принципиальная схема устройства изображена на рис, 2-52, На схеме показаны детали, относящиеся к блокам фор

мирования, запоминания и управления (командный блок) только одного канала. Схемы перечисленных узлов других каналов идентичны. Количество каналов определяется размерами окрашиваемых кож и числом свободных контактных групп барабана блока запоминания.

Блок формирования выполнен на обмотке 3—4 трансформатора Три диодах Де» Дъ конденсаторах С9, Сю, резисторе R7 и фоторезнсторе Да. Сопротивления Ri и Rа подобраны так, что при затемнении фоторезистора Да сигнал на ныходе блока меняет свою полярность на обратную. Напряжение сигнала через ламель Κι поступает на конденсатор С± н заряжает его. Барабан вращается со скоростью, при которой за время прохода контакта / на его поверхности от ламели К\ до ламели К2 кусок кожн успевает продвинуться от зоны контроля до зоны окраски. Как только контакт J коснется ламели K2f сработает командный блок, собранный по схеме триггера на транзисторах Ти 7Y Прн этом включится реле Pi и своими контактами (на схеме не показаны) включит электромагнит, управляющий краскораспылителем соответствующей полосы окраски. Триггер будет находиться во включенном состоянии до тех пор, пока на ламель К2 не поступит сигнал обратной полярности, что произойдет в тот задержанный момент, когда кусок кожн перестает перекрывать свет, падающий на фоторезистор. В этот момент реле Pi отключится и краска перестанет поступать в краскораспылитель.

Рассмотренное автоматическое устройство достаточно просто и надежно в работе. Эффект от его внедрения—экономия 20—30% краски, качественное покрытие кожи и возможность полной автоматизации процесса окраски.

Лабораторный полупроводниковый фотоколориметр (авторы конструкции Ю. С. Прохоров, В. Лобанов, В. Соколов, А. Хайров, Н. Якушин) предназначен для определения концентрации растворов (рис. 2-53). Принцип действия прибора основан на изменении оптических свойств растворов при измененнн нх концентрации. Прибор состоит из фотодатчика (Л Дб)* балансного усилителя постоянного тока (транзисторы Т2, Т’з), измерительного прибора ИП\ и стабилизированного источника питания (Три Ти Дв). Фотоколориметр работает следующим образом. Анализируемый раствор заливается в кювету. Кювета вставляется в фотометрическую ячейку.

Изменение оптических свойств раствора приводит к изменению освещенности фотодиода Д5, а тем самым к появлению сигнала в измерительной диагонали балансного усилителя. По отклонению стрелки прибора и калибровочному графику определяют концентрацию раствора.

Конструкция датчика приведена на рис. 2-54. Он состоит из непрозрачного корпуса 3 с защитными крышками 10, в котором размещены:    осветительная лампа U нить накала которой питается стабилизированным постоянным напряжением, фокусирующая линза 2, свето’фильтр б, фотодиод 7, кожух 5, стаканчик с испытуемым раствором 4, а также подставка стаканчика 9 и защелка 8. В подставке стаканчика сделана выточка для фиксации защелки.

Внешний вид прибора с укрепленным на лицевой панели датчиком показан на рис. 2-54, б.

Прибор для измерения уровня жидкости (автор конструкции

С.          П. Буюкян) основан на измерении отражательной способности световода при переходе его из воздуха в контролируемую жидкость. Он позволяет определять с точностью ±0,01 мм отклонение уровня спокойной жидкости в пределах ±4 мм от заданного.

Прибор состоит из резервуара 13, в котором находится контролируемая жидкость 4, уровень которой надо измерять (рис. 2-55). В дне резервуара находится прозрачное окно 14, под которым закреплен фотодиод 3, В верхней части резервуара имеется второе окно с уплотнением 14, в котором перемещается чувствительный элемент конструкции — световод /, закрепленный в непрозрачном защитном кожухе 15. Внутри кожуха размещена лампа 2 для освещения световода Световод устроен так, что в тот момент, когда он находится на воздухе (имеется в виду нижний, рабочий конец), в нем происходит полное внутреннее отражение света. Для этого

нижняя часть световода заточена под конус с углом при вершине, равным 90°. При соприкосновении световода с поверхностью жидкости условия полного внутреннего отражения нарушаются и часть света, рассеянного в жидкости, попадает на фотодиод 3.

Измерительная часть устройства построена следующим

Рис 2-54.

образом. Корпус 15 пружиной 12 поджимается к упору 16 индикатора перемещений часового типа 5. В этом индикаторе указательная стрелка заменена диском с прорезями 6. П· одну сторону диска помещена осветительная лампа 7, а по другую — фотодиод 8. При перемещении упора 16, под действием вращающегося на валу электродвигателя 9 (электродвигатель типа ДСД-2) кулачка 10 начинает вращаться диск 6. При этом свет от лампочки, проходя через прорези в диске, попадает на фотодиод 8, на выходе которого возникают электрические импульсы, количество которых пропорционально числу оборотов диска, а следовательно, и линейному перемещению упора.

Процесс измерения происходит следующим образом. При нажатии кнопки /Cwj «Сброс» схема приходит в рабочее состояние. Кулачок занимает позицию, показанную на чертеже. Индикатор перемещения 5 находится в нулевом положении. При нажатии кнопки Кн\ «Измерение» включаются электродвигатель и все узлы электронной схемы.

Кулачок начинает вращаться и давить на упор 16. При этом начинает вращаться диск и электрические импульсы с фотодиода 8 через формирователь Ф2 и открытый электронный ключ К поступают на вход стандартного счетчика импульсов СИ. Так будет продолжаться до тех пор, пока конец световода не коснется поверхности контролируемой жидкости. При этом часть света, рассеянного в жидкости, попадет на фотодиод 3. Электрический сигнал с выхода фотодиода 3, пройдя формирователь Фз, попадет на электронный ключ К и остановит его. Счет импульсов счетчиком СИ прекратится, а количество зарегистрированных импульсов будет пропорционально вертикальному перемещению световода до момента соприкосновения с поверхностью жидкости. В момент остановки счетчика электродвигатель будет продолжать работать, вращая кулачок до тех пор, пока имеющийся на кулачке выступ 17 не замкнет концевой выключатель 11. В этот момент двигатель остановится. Показанный на схеме формирователь Φι предназначен для выработки сигнала «Сброса» и подачи его на формирователь Ф2 и счетчик импульсов.

Принципиальная схема электронной части устройства дана на рис. 2-56. Оно работает следующим образом. При нажатии на кнопку Кн «Сброс» включается мультивибратор (транзисторы Тю, Тц) и через согласующий каскад Тц выдает импульс сброса на управляющий триггер (транзисторы 7$, 7е) и на пересчетную схе-

Рис. 2-56.

му СИ (на схеме не показана). Триггер при этом переходит в та* кое положение, при котором электронный ключ Т7 открыт. В этот момент с блока 8 (фотодиода) начинают поступать электрические импульсы, которые через электронный ключ Т7 и амплитудный дискриминатор (Гз, 7д) в конечном итоге попадают на счетчик импульсов СИ. В тот момент, когда нижний конец световода коснется поверхности жидкости, с фотодиода 3 через конденсатор С i на вход усилителя (транзисторы Ти Т2) поступит электрический сигнал. Этот сигнал после формирования в блоке амплитудного дискриминатора (транзисторы Т$, Ть) попадет на второй вход триггера н перебросит его в исходное состояние. Счет импульсов прекратится. Схема прибора оригинальна, обладает высокой точностью измерения уровня, проста в наладке н надежна в работе.

Источник: Смирнов А. Д., Радиолюбители — народному хозяйству. — 2-е изд., перераб. и доп. — М: Энергия, 1978. — 320 с., ил.— (Массовая радиобиблиотека; Вып. 957).

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