§ 7.4. Фотоэлектронные реле

Реле называют фотоэлектронным, если на его входе включен элемент, обладающий свойством изменять электропроводность под действием света.

Фотоэлектронные реле служат в автоматике для контроля и измерения оптических величин. Элемент реле, осуществляющий преобразование оптического входного сигнала в электрический, называется фотоприемником. Различают полупроводниковые, электровакуумные и ионные фотоприемники. Наиболее широко применяются полупроводниковые фотоприемники (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы), имеющие меньшие габариты по сравнению с электровакуумными и ионными.

Основными параметрами фоторезисторов являются: а) темновое сопротивление, т. е. сопротивление фоторезистора при отсутствии светового воздействия: значения темнового сопротивления в пределах от 40 кОм до ; чувствительность т. е. значение светового потока, отнесенное к номинальному напряжению.

Чувствительность фоторезисторов показывает степень изменения сопротивления при изменении светового потока и имеет значение от 500 до 20 .

Достоинствами фоторезисторов являются простота и малая стоимость их изготовления, а к недостаткам относится их малое быстродействие. Постоянная времени переключения фоторезисторов составляет единицы миллисекунд, что ограничивает их применение в схемах фотореле.

Большое быстродействие переключения фотореле можно получить при использовании фотодиодов и фототранзисторов.

Рис. 7.8.

Фотодиоды могут работать в вентильном режиме (без внешнего источника питания), когда при освещении фотодиода на электродах его при разомкнутой внешней цепи возникает так называемая фото-ЭДС (рис. 7.8, а)

где — температурный потенциал; — фототок, прямо пропорциональный световому потоку ; — обратный темновой ток фотодиода при . Для кремниевых фотодиодов , для германиевых .

При подключении к фотодиоду внешнего сопротивления через фотодиод и внешнюю цепь потечет ток нагрузки . В результате напряжение на фотодиоде уменьшится до значения

Таким образом, фотодиод при работе в вентильном режиме можно рассматривать как маломощный источник питания.

Чаще, чем вентильный, применяется фотодиодный режим, к фотодиоду прикладывается обратное напряжение Е (рис. б).

Проводя нагрузочную прямую на семействе вольт-амперных характеристик фотодиода, положение которой соответствует вы-Ранным (или заданным) значениям и Е, можно найти ток в при воздействии некоторого светового потока .

При отсутствии освещения в цепи будет протекать, ток и почти все напряжение источника приложено к фотодиоду.

При изменении светового потока по определенному закону рабочая точка А перемещается по нагрузочной прямой, а ток цепи изменяется в соответствии с законом изменения .

При ток в цепи максимален и равен . Напряжение батареи Е практически приложено к нагрузке R, а падение напряжения на фотодиоде близко к нулю.

Основным параметром фотодиода является интегральная чуствительность, характеризующая изменение фототока через диод при изменении интенсивности светового потока Ф:

Значение в широких пределах уровней освещенности остается неизменным, т. е. фототок прямо пропорционален световому потоку Ф. Интегральная чувствительность фотодиодов имеет порядок несколько десятков .

Рис. 7.9.

Рис. 7.10.

Интегральную чувствительность фотоприемника можно повысить с помощью фототранзистора, представляющего собой биполярный транзистор, база которого вместо электрического сигнала управляется световым потоком.

Интегральная чувствительность фототранзистора достигает значений около .

За счет высокой интегральной чувствительности выходной ток фототранзистора обычно не требует усиления. Однако темновои ток фототранзистора больше темнового тока фотодиода в раз. Так как зависит от температуры, то температурная нестабильность фототранзистора много выше, чем температурная нестабильность фотодиода.

На рис. 7.9 приведена схема фотоэлектронного реле, реагирующая на уровень светового потока, превышающий заданный.

В исходном состоянии, например при , ток, протекающий через фотодиод, не превышает значения темнового тока фотодиода. Поэтому транзистор закрыт.

При освещении фотодиода световым потоком с интенсивностью, большей заданного уровня, ток через фотодиод, соответствуют току базы транзистора, увеличивается.

Транзистор открывается и в его коллекторной цепи появляется ток, вызывающий срабатывание электромеханического реле.

На рис. 7.10 приведена схема бесконтактного фотоэлектронного реле, реагирующая на уровень светового потока, меньший заданного. По принципу построения схема рис. 7.10 аналогична схеме триггера Шмитта.

В исходном состоянии, при освещенном фоторезисторе, транзистор открыт, закрыт. Ток через нагрузку не протекает.

Рис. 7.11.

Рис. 7.12.

Если прервать световой поток или уменьшить его до некоторого критического уровня, то в схеме происходит лавинообразный процесс, приводящий к запиранию и отпиранию . Через нагрузку протекает ток .

При необходимости в коллекторную цепь транзистора . вместо резистора можно включить электромеханическое реле, срабатывающее при протекании тока через транзистор .

Для контроля разности между уровнями двух световых потоков используют дифференциальное фотоэлектронное реле (рис. 7.11).

В исходном состоянии схема сбалансирована таким образом, чтобы ток через обмотку электромеханического реле был равен нулю. При изменении уровня одного из световых потоков, падающих на фоторезисторы , баланс схемы нарушается. обмотку электромеханического реле протекает ток, вызывающий срабатывание реле.