Фотоэлементы: виды, принцип работы и применение в современных технологиях

Что такое фотоэлементы и как они работают. Какие бывают виды фотоэлементов. Где применяются фотоэлементы в промышленности и быту. Каковы преимущества и недостатки использования фотоэлементов.

Содержание

Что такое фотоэлементы и как они работают

Фотоэлементы — это устройства, преобразующие энергию света в электрическую энергию. Принцип их работы основан на явлении фотоэффекта, открытого более 100 лет назад. Суть фотоэффекта заключается в том, что под действием света из вещества происходит эмиссия электронов.

В зависимости от типа фотоэлемента, можно выделить несколько видов фотоэффекта:

Внешний фотоэффект — электроны вылетают за пределы вещества под действием света. На этом принципе работают вакуумные фотоэлементы.
Внутренний фотоэффект — электроны остаются внутри вещества, но переходят на более высокие энергетические уровни. Это приводит к изменению электропроводности вещества. На этом основана работа фоторезисторов.
Вентильный фотоэффект — возникновение электродвижущей силы на границе двух полупроводников под действием света. Этот эффект используется в фотодиодах и солнечных батареях.

Основные виды фотоэлементов

Существует несколько основных типов фотоэлементов:

1. Вакуумные фотоэлементы

Устроены в виде стеклянной колбы с двумя электродами — фотокатодом и анодом. При освещении фотокатода происходит эмиссия электронов, которые создают ток в цепи. Преимущества — высокая чувствительность и быстродействие. Недостатки — хрупкость и сложность изготовления.

2. Фоторезисторы

Представляют собой полупроводниковые резисторы, меняющие свое сопротивление под действием света. Просты в изготовлении и использовании, но имеют относительно низкое быстродействие.

3. Фотодиоды

Полупроводниковые диоды, генерирующие ток при освещении p-n перехода. Обладают высоким быстродействием и чувствительностью. Широко применяются в оптоэлектронике.

4. Фототранзисторы

Транзисторы, управляемые световым потоком вместо тока базы. Обеспечивают высокое усиление фототока. Используются в оптронах и других устройствах.

Области применения фотоэлементов

Фотоэлементы нашли широкое применение в различных сферах:

Промышленная автоматика

Фотоэлементы используются в качестве датчиков для управления производственными процессами. Например:

Контроль движения нити в текстильном производстве
Обнаружение обрыва нити и остановка станка
Измерение площади заготовок сложной формы
Управление раскроем ткани и кожи
Контроль правильности укладки и резки листов в полиграфии

Системы безопасности и контроля доступа

Фотоэлементы применяются для обнаружения препятствий и контроля прохода. Примеры использования:

Турникеты в метро
Автоматические двери
Шлагбаумы на парковках
Системы охранной сигнализации

Преимущества использования фотоэлементов

Фотоэлементы обладают рядом важных преимуществ:

Бесконтактное измерение параметров
Высокая чувствительность и быстродействие
Отсутствие механического износа
Простота интеграции в электронные схемы
Низкое энергопотребление
Компактные размеры

Эти свойства делают фотоэлементы незаменимыми во многих современных устройствах и системах.

Ограничения и недостатки фотоэлементов

При использовании фотоэлементов необходимо учитывать некоторые их ограничения:

Зависимость характеристик от температуры
Чувствительность к электромагнитным помехам
Старение и деградация параметров со временем
Разброс характеристик даже у однотипных элементов
Необходимость защиты от внешнего освещения

Для преодоления этих недостатков применяют различные схемотехнические и конструктивные решения.

Перспективы развития фотоэлементов

Технологии фотоэлементов продолжают активно развиваться. Основные направления:

Повышение чувствительности и быстродействия
Расширение спектрального диапазона
Создание матричных фотоприемников
Интеграция с микропроцессорной обработкой сигналов
Разработка новых материалов для фотоэлементов

Это позволит расширить области применения фотоэлементов и улучшить характеристики устройств на их основе.

Заключение

Фотоэлементы являются важным компонентом многих современных электронных устройств и систем. Их способность преобразовывать световой сигнал в электрический открывает широкие возможности для автоматизации, контроля и измерений. Несмотря на некоторые ограничения, фотоэлементы продолжают совершенствоваться и находить новые сферы применения.

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:

Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.

Применение

Фотоэлементы на практике применяются по общей схеме. На входе может быть любой элемент: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор. Они реагируют на световой поток. Сигнал усиливается и подается в исполнительную цепь.

Вот некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:

По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.
Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.
Их используют для измерения площади заготовок сложной формы. В считанные секунды определяется площадь лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает безопасность работы на прессе.
На станке для плазменной резки металла фотоэлементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.
В типографии они считают бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой. Ведут постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность работы резчика бумаги.
На почтамте фотоэлементы позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем, чтобы штемпель точно попал на марку. Фотоэлектронная система считывает индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.
В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.
Звук в кино записывается на звуковую дорожку. Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает благодаря фотоэффекту.
Роботы-автоматы выполняют технологические операции, за которыми не может следить человек. В промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу, благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.
Прогресс науки и техники в самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен благодаря широкому использованию фотоэлементов.

Зачем нужны фотоэлементы? | CAME

Фотоэлемент — это элемент системы, помогающий обеспечить безопасность использования автоматики. Без фотоэлементов автоматика будет функционировать в базовом режиме, не понимая, что в зоне проезда или прохода находится объект или препятствие.

Фотоэлементы используются в различных устройствах и механизмах. В продукции CAME они применяются совместно с различными автоматизированными системами. Существуют фотоэлементы для ворот, шлагбаумов и автоматических дверей любого типа.

Фотоэлементы призваны обеспечить безопасность всего, что попадает в зону проезда: автомобили, пешеходы, посторонние предметы, животные. Принцип работы фотоэлементов основан на просвечивании зоны проезда тонким лучом, выходящим из передатчика с одной стороны проезда и попадающим в приемник с другой стороны проезда. Если этот луч прерывается любым объектом, автоматика останавливает движение или начинает движение в обратную сторону. Таким образом, ни один автомобиль, пешеход или посторонний предмет не будет задет стрелой, дверями или воротами, что гарантирует максимальную безопасность как для самой автоматики, так и для ее пользователей. Особенно необходимы фотоэлементы на объектах, где нет операторов, присматривающих за процессом проезда.

Наиболее ярким примером проблемы, когда фотоэлементы были необходимы, но установлены не были, является следующая ситуация: автомобиль собирается выехать на дорогу, на которой образовалась пробка. Подъезжая к шлагбауму, водитель автомобиля нажимает на кнопку пульта управления и открывает его, а затем пытается выехать на дорогу, насколько ему позволяет плотное дорожное движение, но при этом часть его машины по-прежнему остается под стрелой. Алгоритм работы шлагбаума, как правило, предполагает автоматическое опускание стрелы через определенное время после открытия. Таким образом, водитель попросту может не успеть выехать на дорогу и стрела шлагбаума опустится прямо на крышу его автомобиля.

Что касается откатных или распашных ворот, обычно мощность привода рассчитана на перемещение довольно тяжелых створок, поэтому автоматизированным воротам без фотоэлементов будет достаточно легко помять или прищемить автомобиль. Все эти факторы нужно обязательно учитывать и понимать, что отсутствие фотоэлементов на системе автоматики – это большой риск, не только для автомобилей, но и для пешеходов.

В Европе существует закон, который исключает использование автоматики без соответствующих аксессуаров безопасности, таких как фотоэлементы. В России данные аксессуары также являются необходимостью, но зачастую их не используют по следующим причинам:

При установке шлагбаумов или ворот не предусматривают необходимость прокладки дополнительных проводов для фотоэлементов.
В таких случаях CAME предлагает или установку полностью беспроводной системы безопасности для автоматики — RIO 2.0, или установку фотоэлементов DXR10 BAP, у которых передатчик работает от батарейки, а приемник подключается по проводам.

Клиентам попросту не предлагают установить фотоэлементы и не объясняют, насколько это важно.

В нашей компании предусмотрена обучающая программа «Академия CAME», в которой дилерам рассказывают, какие аксессуары являются первостепенными при покупке автоматики.

CAME предлагает широкий выбор фотоэлементов для любого типа объекта. В ассортименте компании есть фотоэлементы с тонкими лучами, которые будут реагировать даже на самые мелкие препятствия, быстро пересекающие проезд (пробегающие дети, животные, велосипеды), а также более прочные фотоэлементы с металлическим корпусом и защитой от механических воздействий.

CAME производит:

Накладные фотоэлементы (приемник и передатчик) DIR10, DIR20, DIR30 с дальностью сигнала соответственно до 10, 20 и 30 м.
Встраиваемые DELTA-I и накладные DELTA-E фотоэлементы с дальностью до 20 м.
Накладные регулируемые фотоэлементы DXR20CAP и DXR20CAM с дальностью действия до 20 м.
Накладные регулируемые фотоэлементы DXR10BAP с питанием передатчика от литиевой батарейки и дальностью до 10 м.
Фотоэлементы серии DXR имеют возможность регулировки направления ИК луча в диапазоне до 180 градусов в горизонтальной плоскости, и 10 градусов в вертикальной плоскости, что позволяет без использования дополнительных кронштейнов установить их на поверхности столба, не обращенной в сторону проезда.

Накладные фотоэлементы RIOPH8WS, работающие полностью без проводов с питанием от литиевых батареек и с дальностью до 10 м
Дополнительные стойки для фотоэлементов, позволяющие установить их на высоте 0,5 м или 1 м от уровня поверхности дороги. Они подбираются в зависимости от модели фотоэлементов.

Фотоэлементы, использующиеся совместно с автоматикой для дверей CAME, подбираются в зависимости от серии автоматики.

Купить комплект фотоэлементов по доступной цене можно на нашем сайте или по телефону 8-800-200-50-50. Специалисты помогут подобрать подходящую модель и проконсультируют по техническим характеристикам фотоэлементов и других устройств безопасности CAME.

#фотоэлементы для шлагбаума

#устройства безопасности

#фотоэлементы для ворот

#фотоэлемент купить

#комплект фотоэлементов

#фотоэлементы цена

#безопасная автоматика

#аксессуары

Обзор | Фотоэлементы | Система обучения Adafruit

Обзор

Сохранить Подписаться

Пожалуйста, войдите, чтобы подписаться на это руководство.

После входа в систему вы будете перенаправлены обратно к этому руководству и сможете подписаться на него.

Фотоэлементы — это датчики, позволяющие обнаруживать свет. Они маленькие, недорогие, маломощные, простые в использовании и не изнашиваются. По этой причине они часто появляются в игрушках, гаджетах и бытовой технике. Их часто называют элементами CdS (они сделаны из сульфида кадмия), светозависимыми резисторами (LDR) и фоторезисторами.

Фотоэлементы в основном представляют собой резистор, который меняет свое сопротивление (в омах) в зависимости от того, сколько света падает на волнистую поверхность. Они очень дешевы, их легко найти во многих размерах и спецификациях, но они очень неточны. Каждый датчик фотоэлемента будет действовать немного иначе, чем другой, даже если они из одной партии. Вариации могут быть очень большими, 50% и выше! По этой причине их не следует использовать для определения точных уровней освещенности в люксах или милликанделах. Вместо этого вы можете ожидать, что сможете определить только основные изменения освещения.

Для большинства чувствительных к свету приложений, таких как «светло или темно на улице», «есть ли что-то перед датчиком (что блокирует свет)», «есть ли что-то, прерывающее лазерный луч» (датчики прерывания луча), или «на какой из нескольких датчиков падает больше всего света», фотоэлементы могут быть хорошим выбором!

Некоторые основные характеристики

Эти характеристики относятся к фотоэлементу в магазине Adafruit, который очень похож на PDV-P8001. Почти все фотоэлементы будут иметь немного разные характеристики, хотя все они в значительной степени работают одинаково. Если есть техническое описание, вам следует сослаться на него

Размер: Круглый, диаметр 5 мм (0,2″). (Для других фотоэлементов диаметр может достигать 12 мм!)
Цена: 1 доллар США в магазине Adafruit
Диапазон сопротивления: от 200 кОм (темнота) до 10 кОм (яркость 10 люкс)
Диапазон чувствительности: клеток CdS реагируют на свет с длиной волны от 400 нм (фиолетовый) до 600 нм (оранжевый) с пиком около 520 нм (зеленый).
Блок питания: почти любой до 100 В, потребляет в среднем менее 1 мА тока (зависит от напряжения источника питания)
Спецификация и еще Спецификация
Два указания по применению по использованию и по выбору фотоэлементов , где почти все эти графики взяты из

Проблемы, с которыми вы можете столкнуться при использовании нескольких датчиков

Если при добавлении дополнительных датчиков вы обнаружите, что показания не совпадают, это означает, что датчики взаимодействуют друг с другом при переключении цепи аналогового считывания с одного контакта на другой. Вы можете исправить это, сделав два отложенных чтения и выбросив первое.

См. этот пост для получения дополнительной информации

Измерительный свет

Это руководство было впервые опубликовано 29 июля 2012 г. Оно было последним. обновлено 26 июня 2012 г.

Эта страница (обзор) последний раз обновлялась 26 июня 2012 г.

Текстовый редактор на базе tinymce.

Наружные фотоэлементы для цифровых систем управления освещением

ФИЛЬТР И СОРТИРОВКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Категория

Управление освещением и системы (3)
- Датчики дневного света (3)
  - Наружные фотоэлементы (3)

Бренд

Выберите один из брендов Legrand.

Что такое фотоэлементы и как они работают