Как работает фотоэлемент. Какие виды фотоэлементов существуют. На чем основан принцип действия фотоэлемента. Где применяются фотоэлементы в современной технике.
Что такое фотоэлемент и как он работает
Фотоэлемент — это устройство, которое преобразует энергию света в электрическую энергию. Принцип его действия основан на явлении фотоэффекта, открытого Александром Столетовым в 1888 году и объясненного Альбертом Эйнштейном в 1905 году.
Суть фотоэффекта заключается в том, что при облучении некоторых материалов светом происходит испускание электронов. Эти освобожденные светом электроны и создают электрический ток в фотоэлементе.
Основные виды фотоэлементов
Существует несколько типов фотоэлементов, различающихся по принципу действия:
- Вакуумные фотоэлементы
- Газонаполненные фотоэлементы
- Полупроводниковые фотоэлементы
- Фотоэлектронные умножители
Рассмотрим принцип работы каждого из этих видов фотоэлементов подробнее.
Как работает вакуумный фотоэлемент
Вакуумный фотоэлемент состоит из стеклянной колбы, из которой откачан воздух. Внутри колбы расположены два электрода:
- Фотокатод — электрод, покрытый светочувствительным материалом
- Анод — электрод для сбора электронов, испускаемых фотокатодом
Принцип действия вакуумного фотоэлемента:
- Свет попадает на фотокатод через прозрачное окно колбы
- Фотоны света выбивают электроны из материала фотокатода
- Под действием электрического поля электроны движутся к аноду
- Возникает электрический ток, пропорциональный интенсивности света
Главное преимущество вакуумных фотоэлементов — высокая чувствительность и быстродействие. Они способны регистрировать очень слабые и кратковременные световые сигналы.
Особенности газонаполненных фотоэлементов
Газонаполненный фотоэлемент по конструкции похож на вакуумный, но колба заполнена инертным газом под низким давлением. Как это влияет на работу устройства?
- Электроны, двигаясь к аноду, ионизируют атомы газа
- Образуются дополнительные свободные электроны
- Происходит усиление фототока в 5-10 раз
За счет газового усиления такие фотоэлементы имеют более высокую чувствительность по сравнению с вакуумными. Однако это достигается ценой снижения быстродействия и линейности характеристик.
Принцип работы полупроводниковых фотоэлементов
Полупроводниковые фотоэлементы основаны на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках. Как они работают?
- Фотоны света поглощаются в полупроводнике
- Образуются пары «электрон-дырка»
- Под действием электрического поля p-n перехода носители заряда разделяются
- Возникает фотоЭДС и протекает фототок
Полупроводниковые фотоэлементы обладают высокой чувствительностью, особенно в инфракрасной области спектра. Они компактны, надежны и не требуют внешнего источника питания.
Как устроен фотоэлектронный умножитель
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — это высокочувствительный фотоприемник, способный регистрировать отдельные фотоны света. Его конструкция включает:
- Фотокатод для первичной эмиссии электронов
- Систему динодов для вторичной электронной эмиссии
- Анод для сбора умноженного потока электронов
Принцип действия ФЭУ:
- Фотоэлектроны с катода ускоряются электрическим полем
- Попадая на первый динод, выбивают вторичные электроны
- Процесс повторяется на каждом диноде
- Поток электронов лавинообразно нарастает
Коэффициент усиления ФЭУ может достигать 108, что позволяет регистрировать сверхслабые световые сигналы.
Где применяются фотоэлементы
Благодаря способности преобразовывать свет в электрический сигнал, фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях техники:
- Фотометрия и спектрометрия
- Системы автоматики и контроля
- Охранная сигнализация
- Оптическая связь
- Солнечная энергетика
Рассмотрим некоторые конкретные примеры использования фотоэлементов.
Фотоэлементы в системах освещения
Одно из самых распространенных применений фотоэлементов — автоматическое управление освещением. Как это работает?
- Фотоэлемент измеряет уровень естественного освещения
- При снижении освещенности ниже порога фотоэлемент включает светильники
- При повышении освещенности происходит отключение искусственного освещения
Такие системы позволяют экономить электроэнергию и повышают комфорт пользователей. Они широко применяются для управления уличным, архитектурным и внутренним освещением зданий.
Использование фотоэлементов в охранных системах
- Между излучателем и приемником создается невидимый световой барьер
- При пересечении барьера нарушителем луч прерывается
- Фотоприемник регистрирует изменение светового потока
- Формируется сигнал тревоги
Такие фотоэлектрические барьеры могут контролировать периметры объектов, дверные и оконные проемы, внутренние помещения.
Фотоэлементы в солнечной энергетике
Важнейшая область применения фотоэлементов — преобразование солнечной энергии в электрическую. Для этого используются полупроводниковые фотоэлементы на основе кремния. Как работает солнечная батарея?
- Солнечный свет попадает на полупроводниковую структуру
- В p-n переходе возникает фотоЭДС
- При подключении нагрузки протекает электрический ток
- Энергия света преобразуется в электроэнергию
КПД современных кремниевых солнечных элементов достигает 20-25%. Это позволяет эффективно использовать их для энергоснабжения различных объектов — от калькуляторов до космических аппаратов.
Перспективы развития фотоэлементов
Несмотря на длительную историю развития, технологии фотоэлементов продолжают совершенствоваться. Какие направления являются наиболее перспективными?
- Повышение КПД фотоэлектрического преобразования
- Создание гибких и прозрачных солнечных элементов
- Разработка фотоприемников для терагерцового диапазона
- Интеграция фотоэлементов в различные устройства
Развитие технологий фотоэлементов открывает новые возможности для эффективного использования солнечной энергии и создания высокочувствительных оптических датчиков.
Принцип работы фотоэлемента | | Откатные автоматические ворота под ключ
Принцип работы фотоэлемента | | Откатные автоматические ворота под ключФотоэлементом называют прибор, который под воздействием Солнца вырабатывает фототок. Практическую возможность получения электрической энергии из света разработал профессор физики МУ А.Г. Столетов. Он объяснил происхождение фотоэффекта и сумел преобразовать солнечную энергию в фотоЭДС. На основании этого сегодня изготавливают электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы, которые используют в измерительной, контрольной и автоматической аппаратуре.
Устройство представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. С ее внутренней стороны нанесен светочувствительный слой щелочного металла (катод). Он контактирует с проводом, соединенным с отрицательным полюсом источника питания. В середине устройства расположен электрод, называемый анодом. Он соединен с положительным полюсом. Под воздействием света из катода вырываются электроны.
Полупроводниковый фотоэлемент
Полупроводник имеет устойчивую структуру. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергии кванта хватает, чтобы разорвать связь электрона с атомом, электрон становится свободным. На его месте рождается дырка — положительный заряд, равный заряду электрона. Если приложить разность потенциалов, появится электрический ток.
Слабую проводимость чистых полупроводников увеличивают с помощью примесей других веществ, чтобы получить больше свободных положительно или отрицательно заряженных частиц:
- примеси, создающие избыток электронов образуют полупроводник n-типа.
- примеси, создающие избыток дырок — полупроводник p-типа.
Если соединить материал n-типа и p-типа, на границе произойдет перераспределение зарядов: дырки будут двигаться в n-область, а электроны — в p-область, пока на границе не возникнет двойной слой зарядов, называемый p-n-переходом и электрическое поле, препятствующее их дальнейшему перераспределению.
- интенсивности светового потока;
- площади полупроводника;
- времени действия света.
Устройство фотоэлемента
Применение
Фотоэлементы прочно вошли в нашу жизнь. Фотореле пропускает нас в метро, управляет процессами современного производства, обеспечивает безопасность человека и механизмов, контролируют качество продукции по классической схеме. На ее входе устанавливается фотоэлемент, реагирующий на световой поток. Сигнал усиливается и подается на реле в исполнительную цепь, управляя работой двигателей, станков и целых систем, применяемых в быту и на производстве.
Изучение света продолжается и сегодня. Ученые уверены, что потенциал фотона колоссален, а гелиевая энергетика в скором времени изменит свет во всех отношениях.
+7(499)398-03-92
+7(925)056-80-35
info@garantplaststroi.
ru
Москва, ул. Институт, 16А,
рабочий посёлок Большие Вязёмы
ИП Андреев М.В.
ИНН 613202673494
р/с 40802810402820000880
АО «АЛЬФА-БАНК» Г. Москва
БИК 044525593
к/с 30101810200000000593
Мы в соц. сетях:
Оставьте заявку
и мы вам перезвоним!
С условиями обработки персональных данных согласен
Калькулятор стоимости
[contact-form-7 404 «Not Found»]
Оставьте заявку
и мы вам перезвоним!
Принцип работы фотоэлемента
Примеров использования солнечной энергии великое множество. Это и солнечная энергетика и сельское хозяйство, фотоэлектрические системы и, наконец, фотосинтез без которого не было бы жизни. Одним из важных современных технологических решений является преобразование энергии Солнца в источник электрической энергии. В основу этого преобразования заложен принцип работы солнечного элемента.
- Принцип получения электроэнергии
- Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов
- Фотоэффект
- Виды фотоэффекта
- Фотоэлемент
- Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов
Принцип получения электроэнергии
Батареи собраны из некоторого количества элементов, в которых энергия солнечного излучения преобразуется в электрическое напряжение. Каждый из упомянутых элементов – это фотодиод, изготовленный из специального полупроводящего материала. Каждый элемент батареи состоит из двух частей. Обе части – это определенным образом обработанный полупроводниковый материал.
Электроны в полупроводниках расположены в определенных диапазонах по энергии, диапазоны называют зонами. В каждой упомянутой части, как во всяком полупроводнике, существует заполненная зона, проводимости и разделяющая их зона. Если электрон находится в зоне проводимости, он может перемещаться. В заполненной зоне электроны вообще неподвижны. Но, если электрону сообщить добавочную энергию, он перейдет в зону проводимости и сможет перемещаться.
Возможен также переход электронов из заполненной на какой-нибудь уровень в промежуточной зоне. В обоих случаях в заполненной зоне окажется пустой уровень. На этот уровень может перейти другой электрон, оставив свой уровень незаполненным. Последний может занять соседний из этой же зоны, вместо того следующий и т.д.
Таким образом, перемещение зарядов в заполненной зоне приведет к тому, что электроны тоже могут проводить ток. Такие создающие ток заряды, в отличие от электронов в зоне проводимости, называют дырками, так как при перемещении в этом случае перемещается дырка – в место, где нет электрона. А теперь представим себе, что мы соединили друг с другом полупроводники, в одном из которых электрический ток проводят электроны, а в другом – дырки. Падение солнечных лучей на элемент сгенерирует неравновесные электронно-дырочные пары с образованием тока.
Электрические процессы в такой паре весьма сложны. Поэтому упростим их насколько возможно, для этого положим, что освещается только один из двух полупроводников, скажем для определенности тот, в котором ток проводят свободные электроны.
Тогда при соединении двух полупроводников, благодаря тому, что электроны совершают тепловое движение, часть из них перейдет в дырочный полупроводник. Значит, в электронном полупроводнике возникает недостача зарядов, и он благодаря этому получит положительный заряд.
Дырочный же полупроводник, получивший электроны от соседа, очевидно, получит отрицательный заряд. А для внешней цепи соединение двух таких полупроводников будет как источник напряжения, и будет создавать во внешней цепи ток, который нужен для движения чего-либо. Это практический пример использования солнечного электричества, который положен в основу и принцип работы солнечных элементов и батарей в целом.
Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов
На протяжении почти всего XIX века ученые наблюдали странное поведение веществ, металлов и электролитов под действием на них прямого света. Эти вещества увеличивали свою проводимость. Первым, кто смог собрать и обосновать данное явление, был Альберт Эйнштейн.
Он доказал, что свет существует в виде квантовых порций и может оказывать влияние на некоторые элементы, увеличивая проводимость, то есть высвобождая свободные электроны.
Фотоэффект
Фотоэффектом называют явление испускания веществом свободных электронов под воздействием света или другого электромагнитного облучения. Протекает он в твердых веществах и конденсированных жидкостях. Применение фотоэффекта привело к открытию и обоснованию квантовой теории. На основе этой теории удалось объяснить закономерности фотоэффекта.
Из этой теории выходит, что свободный электрон облучаемого вещества не может поглотить фотон, отдаваемый излучателем, ввиду того, что невозможно соблюдение законов сохранения энергии и импульса. Связь электрона вещества с окружением обуславливает фотоэффект в молекулах и конденсированной среде. Такая связь характеризуется ионизирующей энергией, так называемой энергией выхода электрона. Применение фотоэффекта в настоящее время на практике очень широко.
Виды фотоэффекта
Внешним фотоэффектом называют явление испускания электронов под воздействием электромагнитного излучения. При этом электроны, выходящие из вещества, называются фотоэлектронами, соответственно, электрический ток в нем называется фототоком. Непосредственно элемент в аппарате, подвергающийся облучению и отдающий электроны, называется фотокатодом. Спектральная характеристика фотокатода — это зависимость чувствительности к воздействию от частоты и длины волны излучения.
Внутренним фотоэффектом называют перераспределение внутри вещества согласно энергетическим особенностям. Применение фотоэффекта внутреннего объяснило явление фотопроводимости, то есть изменения концентрации заряда в веществе под воздействием излучения, при этом выход электронов не происходит.
Фотовольтаический эффект возникает под воздействием конкретно электромагнитного излучения на вещество со свободными электронами. Ядерный фотоэффект возникает при поглощении ядром атома гамма-излучения при неизменном нуклонном количестве.
При этом происходит распад ядра и выход ядерной энергии.
Фотоэлемент
Широкое применение фотоэффекта стало возможным благодаря изобретению фотоэлемента. Он применяется как оптический датчик на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали без применения человеческого труда согласно созданным для этого программам. Также в кино фотоэлемент считывает запись с пленки, преобразуя ее в звук.
Фотоэлементы и их применение намного упрощают нашу жизнь как потребителей электроэнергии. Связано это с тем, что они широко используются в таких аппаратах, как солнечные батареи. В них прямое солнечное излучение попадает на вещество, преобразуясь в электрический ток.
Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов
Он основан на использовании внешнего фотоэффекта, при котором падающий на поверхность материала лучистый поток вызывает эмиссию электронов в вакуум. Эти фотоэлектроны увлекаются внешним электрическим полем, создающимся приложенным напряжением между двумя электродами.
При этом роль катода играет фоточувствительный слой (фотокатод). Вторым электродом является анод. Фотоэлектроны под действием приложенного напряжения устремляются к аноду, создавая ток во внешней цепи.
Эмиссия электронов из фотокатода порождается следующими процессами: поглощением падающего фотона, которое приводит к передаче энергии фотона к электрону; диффузией возбужденного электрона к поверхности твердого тела; прохождением электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум. Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода.
Эмиссионная способность материала характеризуется квантовым выходом, равным отношению числа освобожденных электронов к числу падающих фотонов. Величина квантового выхода будет тем больше, чем выше эффективность первых двух этапов фотоэмиссии и чем меньше работа выхода. Удачным сочетанием таких качеств обладают некоторые сложные полупроводники, являющиеся эффективными фотокатодами.
Анализ показывает, что для данного материала существует оптимальная длина волны, на которой наблюдается максимальное значение квантового выхода.
В соответствии с законом Столетова, величина фототока пропорциональна потоку излучения, поглощенному веществом. максимальная же кинетическая энергия фотоэлектронов тем больше, чем больше частота падающего излучения и не зависит от величины потока излучения (закон Эйнштейна).
, (28)
где – работа выхода электрона;
h – постоянная Планка.
Из этой формулы следует, что внешний фотоэффект наблюдается только для излучения, длина волны которого меньше красной границы фотоэффекта, определяемой выражением
. (29)
Вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой стеклянный вакуумированный баллон, на одну из стенок которого наносится фотокатод. Роль анода выполняет металлическая пластинка или кольцо, находящиеся в центре баллона. В некоторых конструкциях фотоэлементов, предназначенных для измерения слабых потоков, имеется третий вспомогательный электрод – охранное кольцо, помещаемое таким образом, чтобы улавливать токи утечки по баллону между выводами катода и анода.
Баллон выполняется полностью из стекла или имеет окно для прохождения регистрируемого излучения из увиолевого стекла или кварца, или сапфира.
Конструктивно все фотоэлементы можно разделить на четыре группы.
1 Фотоэлементы с массивными непрозрачными фотокатодами, освещаемыми с фронта (рисунок 9, а). Они применяются для сфокусированных световых потоков, постоянных или модулированных с небольшой частотой.
а – с массивным фотокатодом; б – измерительного фотоэлемента с торцевым фотокатодом и охранным кольцом; в – сильноточного коаксиального фотоэлемента; 1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – вывод фотокатода; 4 – вывод анода; 5 – охранное кольцо.
Рисунок 9 – Схема вакуумного фотоэлемента
Такие фотоэлементы используются в звуковом кино, фототелеграфии и контрольно-измерительной технике. Сферическая форма баллона является оптимальной, так как отраженное от поверхности фотокатода излучение снова попадает на соседние участки фотокатода.
2 Измерительные фотоэлементы (рисунок 9, б) используются в фотометрии для измерения слабых световых потоков, медленно меняющихся по величине или модулированных с определенной частотой. Они выполняются как с массивным фотокатодом, так и с торцевым полупрозрачным. Они, как правило, имеют охранное кольцо.
3 Специальные сильноточные фотоэлементы коаксиальной конструкции (ФЭК), предназначенные для регистрации лазерных импульсов с длительностью в несколько наносекунд. Для этого фотокатод выполнен в виде плоской пластинки, а анод в виде сетки располагается перед фотокатодом. Вся конструкция фотоэлемента выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, согласованной с коаксиальным кабелем. Такие фотоэлементы имеют линейную световую характеристику для фототоков вплоть до нескольких ампер. Для снижения времени пролета электронов анодное напряжение увеличивают до 2-5 кВ. а расстояние между анодом и фотокатодом уменьшают до нескольких миллиметров.
4 Газонаполненные фотоэлементы, в которых для повышения интегральной чувствительности прибегают к усилению первичного фототока с помощью инертного газа, которым наполняется баллон фотоэлемента.
В газе под воздействием приложенного анодного напряжения при движении электронов возникает лавинная ионизация, что вызывает увеличение тока в цепи. Так, чувствительность газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4 в 2,5 раза выше, чем у аналогичных вакуумированных.
При выборе типа фотокатода при использовании фотоэлементов в оптико-электронных приборах руководствуются следующими требованиями.
1. Для работы в ИК области пригоден лишь серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод. Но он не пригоден для работы со слабыми потоками из-за большой термоэмиссии и малой интегральной чувствительности.
2. Для монохроматических источников выбирают фотокатоды с максимальным квантовым выходом в заданной области спектра. В коротковолновой области спектра используют сурьмяно-цезиевые или бищелочные фотокатоды с пониженной термоэмиссией. В более длинноволновой (600-900 нм) – многощелочные.
3. Многощелочные, а также более простые в изготовлении сурьмяно-цезиевые фотокатоды, сенсибилизированные кислородом, имеют более высокую интегральную чувствительность.
4. В телевидении и других областях, требующих характеристики, близкие к кривой чувствительности глаза, используют висмут-серебряно-цезиевые или сурьмяно-рубидиево-цезиевые фотокатоды.
Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 4 чел.
Средний рейтинг: 4.5 из 5.
Что такое фотоэлемент? Функция, принцип работы и схема подключения
Что именно подразумевается под фотоэлементом и LDR (Light Dependent Resistance), в чем разница, и какова функция фотоэлемента и LDR?, Вы когда-нибудь спрашивали, кто включает и включает выключено уличное освещение?, почему днем уличное освещение, установленное на обочине дороги, выключено, то ночью уличное освещение включается и автоматически освещает пути, по которым мы проходим.
На самом деле уличное освещение включается и выключается автоматически.
Уличное освещение включается, когда вокруг темно, как ночью, так и днем, когда пасмурная погода, и выключается в дневное время или когда вокруг яркий.
Что такое фотоэлемент, какова функция и принцип работы, и как установить фотоэлемент, чтобы лампа включалась и выключалась автоматически?
Схема установки фотоэлемента для автоматического освещения
| что такое фотоэлемент |
- Черный кабель
- Белый кабель вводится от источника питания к фотоэлементу и подключен к лампе 9.0031
- Красный кабель — выходная мощность от фотоэлемента к лампе
Что такое фотоэлемент?
Уличное освещение работает автоматически с использованием датчика интенсивности света, называемого фотоконтролем или фотоэлементом, фотоэлемент или фотоэлемент управления — это переключатель, который работает автоматически с помощью датчика освещенности или светозависимого сопротивления (LDR).
Функция фотоэлемента
В фотоэлементе есть переключатель, переключатель в фотоэлементе отключится, когда интенсивность света вокруг будет яркой, а переключатель в фотоэлементе будет подключен, когда интенсивность света вокруг станет меньше или темнее. этот переключатель, который используется для автоматического включения и выключения света.
Что такое LDR?
LDR (светозависимое сопротивление) — это электронный компонент, похожий на резистор (сопротивление), и значение сопротивления будет меняться в зависимости от интенсивности света, который он получает.
Принцип работы фотоэлемента
Фотоэлемент работает по принципу сопротивления, зависящего от света, значение сопротивления LDR будет уменьшаться при воздействии малой интенсивности света (темнота), значение сопротивления LDR при воздействии темного света около 500 Ом, поскольку значение сопротивления (сопротивление) на LDR становится маленьким, вызывая электричество поток, и свет включается, тогда значение сопротивления будет увеличиваться при воздействии большой интенсивности света (яркого).
Значение сопротивления при темном освещении составляет около 200 кОм, поскольку значение сопротивления (сопротивление) на LDR становится большим (увеличивается), что приводит к блокировке напряжения на лампе (не может течь), и лампа выключается.
Разница между Фотоэлементом и LDR
Фотоэлемент представляет собой устройство в виде электронной схемы, которая функционирует как автоматический выключатель или подключение электрического тока, который работает автоматически в соответствии с интенсивностью получаемого света.
LDR представляет собой электронный компонент, установленный в фотоэлементе, типе резистора, значение сопротивления которого зависит от падающего на него света.
Фотоэлемент широко используется для освещения, которое можно включать и выключать автоматически. Помимо установки для уличного освещения, мы также можем использовать фотоэлемент для создания других автоматических систем, в зависимости от развития и творчества каждого из нас, таких как датчик движения , автоматический клапан с помощью ручного датчика, автоматическое закрытие и открытие двери, автоматический датчик корпуса сигнализации или что-то еще.
Итак, небольшое пояснение о функции фотоэлемента и LDR, о том, как установить и подключить кабель, вы можете увидеть на картинке выше.
Мой электрический дневник
| Щелкните здесь для получения полной информации о продукте |
|||||||||||||
| |||||||||||||
34,95 долл. США за штуку 
в
использование этих фотоэлементов, важно помнить о цвете
и тип поверхности объекта. При непрозрачных поверхностях
расстояние восприятия зависит от цвета объекта. Светлые цвета
соответствуют максимальным расстояниям и наоборот. В этом случае
блестящих предметов эффект поверхности важнее, чем
цвет. Расстояние срабатывания в технических данных связано
на матовую белую бумагу. 
Применение такого устройства,
который основывает свое функционирование на поляризованной полосе света, предлагает
значительные преимущества и безопасные показания, даже когда объект
для ощущения имеет очень блестящую поверхность. Их нет в технических
данные, затронутые случайными отражениями. 
Имеется в виду состояние устройства в
отсутствие измеряемого продукта. В случае с фотоэлементами
свет вкл/темно вкл используется. В случае прямого отражения
типы, NO светится, а NC темнеет. Для других типов НЕТ
горит темно, а NC горит. 
