БЕСЕДА ШЕСТНАДЦАТАЯ. ЗНАКОМСТВО С АВТОМАТИКОЙ

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

Однако это было временным замешательством. Назвали массу вещей и систем, содержащих элементы автоматики: авторучка, часы, центральное отопление, водопроводный вентиль, электрохолодильник, сливной бачок туалетной комнаты, электросчетчик, электрозвонок, 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, на улице, в кинотеатре...

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.

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ

Честь изобретения фотоэлемента принадлежит русскому ученому Александру Григорьевичу Столетову.

Будучи профессором физики Московского университета, А. Г. Столетов в 1888 г. провел такой опыт (рис. 244). 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 полоса бумаги с делениями - шкала. Пучок света от фонаря направлялся на зеркальце гальванометра, а отраженный от него зайчик падал на шкалу. Даже при незначительном токе зеркальце гальванометра поворачивалось, заставляя световой зайчик бежать по делениям шкалы. На некотором расстоянии от диска и сетки А. Г. Столетов установил другой 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 шкале, указывая на наличие тока в, казалось бы, разорванной цепи.

Этот опыт позволил ученому сделать вывод: свет «рождает» электрический ток. Это явление мы теперь называем фотоэлектрическим эффектом (от греческого слова «фото» - свет и латинского слова «эффект» - действие). А. Г. Столетов, кроме того, экспериментальным путем доказал, что некоторые материалы под действием света подобно на гретому катоду радиолампы могут испускать электроны.

Рис. 244. Опытная установка А. Г. Столетова (справа - рисунок из его сочинения, на котором: А - дуговой фонарь; Б - батарея; С - два плоскопараллельных G - гальванометр)

В его опытах свет выбивал из металлического диска «рой» электронов, который притягивался положительно заряженной сеткой, образуя в цепи электрический ток. Этот ток мы сейчас называем фототоком.

В опытной установке А. Г. Столетов использовал 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. Такая установка и была первым в мире фотоэлементом. Значение фототока такого прибора зависело от свойств металла, из которого был сделан катод, напряжения батареи и освещенности катода.

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 первых светочувствительных приборов был фотоэлемент , внешний вид и устройство которого показаны на рис. 245, а. Такие фотоэлементы использовались, например, в 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, называемый подкладкой, а поверх него слой цезия (буква Ц в названии прибора). Это - катод.

Рис. 245. Газонаполненный фотоэлемент (а) и его включение в электрическую цепь (б)

Он соединен с выводом меньшего диаметра, обозначенным знаком минус. В центре колбочки на стержне укреплено металлическое кольцо - анод. Он соединен с выводом большого диаметра, который обозначают знаком плюс.

Колба фотоэлемента наполнена нейтральным газом (буква Г в его названии), благодаря чему 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 количество электронов, летящих к аноду, получается большим, чем в вакууме.

Возможная схема включения такого фотоэлектрического датчика в электрическую цепь показана на рис. 245,6. Здесь V - фотоэлемент; - его нагрузка, - источник высокого постоянного напряжения. Ток в цепи с фотоэлементом при сильной освещенности катода и напряжении на аноде 250 В не превышает . Но он почти в 200 раз больше тока при полном затемнении фотоэлемента. Это значит, что при перекрывании пучка света, направленного на фотоэлемент, фототок может измениться примерно от 1 до . 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.

Фотоэлёмент, о котором я сейчас рассказывал, относится к группе фотоэлементов с внешним фотоэффектом. Называют их так потому, что у них электроны под действием света вылетают из катода в окружающее их пространство.

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

Фоторезистор (рис. 246) представляет собой тонкий слой полупроводника, нанесенный на стеклянную или кварцевую пластинку, запрессованную в круглый, овальный или прямоугольный пластмассовый корпус небольших размеров. Полупроводниковый слой с двух сторон имеет контакты для включения его в электрическую цепь.

Рис. 246. Внешний вид (а), схематическое обозначение (б), устройство и включение (в) фоторезистора

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, этот прибор под действием света, падающего на него, также может быть использован для автоматического включения и выключения различных электрических приборов, механизмов.

Фотодиод, являющийся светочувствительным элементом с запирающим слоем, по Своему устройству напоминает плоскостной полупроводниковый диод (рис. 247).

Рис. 247. Внешний вид (а), обозначение на схемах (б), устройство и схема включения (в) фотодиода.

На пластину кремния с электронной электропроводностью наплавлен тонкий слой бора. Проникая в кремний, атомы бора создают в нем зону, обладающую дырочной электропроводностью. Между ними обращается электронно-дырочный переход. Снизу на слой типа n нанесен сравнительно толстый контактный слой металла. Поверхность слоя типа p 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. При облучении свет проникает сквозь прозрачную пленку в слой p и рождает в нем электронно-дырочные пары. Дырки остаются в слое p, электроны переходят в слой n. 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 около , при прямом солнечном освещении может дать ток примерно 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 огромное количество электроэнергии. Из фотобатарей можно даже делать кровли домов: днем под действием света они будут заряжать аккумуляторные батареи, а по вечерам накопленная электроэнергия будет использоваться для освещения.

Рис. 248. Фототранзистор и схема его включения

Фототранзисторы - светочувствительные приборы, основой которых служат транзисторы. Почти любой биполярный 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 спили верхнюю часть корпуса низкочастотного транзистора, например серии , включи транзистор в цепь постоянного тока и освети его (рис. 248). 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 серии , например, при освещении его кристалла электролампой мощностью коллекторный ток возрастает до 1 А и больше. Такой ток достаточен для питания, например, малогабаритного электродвигателя «Пионер», начинающего автоматически работать при освещении фоторезистора.