Фотосопротивления

Радио 1957 №5

Суть внутреннего фотоэлектрического эффекта состоит в том, что в результате поглощения света в объёме вещества появляются дополнительные носители тока (электроны), благодаря чему электрическая проводимость вещества увеличивается, а сопротивление, следовательно, уменьшается. Это явление и было положено в основу изготовления фотосопротивлений. Ниже приводится описание конструкций, свойств и области применения некоторых типов фотосопротивлений, выпускаемых нашей промышленностью.

Фотосопротивления имеют типовые обозначения: ФС-А1...ФС-А4, ФС-БО, ФС-Б2 и ФС-К0, ФМ-К1 и ФС-К2. Буквы ФС сокращенно обозначают фотосопротивление; А, Б, К - определяют тип фотосопротивления; цифры характеризуют конструктивное оформление.

Конструкция

Фотосопротивление состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около 1 микрона, нанесённого на стеклянную пластину. На поверхность полупроводника нанесены токонесущие электроды, обычно выполняемые из золота. Конструкция и схема включения фотосопротивления изображены на рис. 1.

Рис. 1.

Размеры светочувствительной площади фотосопротивлений весьма малы, благодаря чему габаритные размеры промышленных типов фотосопротивлений незначительны. Обычно чувствительный к свету элемент монтируется в пластмассовый корпус с электродами, рассчитанными на включение в специальную панель.

Рис. 2.

Светочувствительная поверхность фотосопротивлений заливается толстым слоем прозрачного лака.

На рис. 2 изображены конструкции промышленных типов фотосопротивлений, а в табл. 1 приводятся данные о размерах их светочувствительной поверхности и омическом сопротивлении.

Таблица 1

Тип фотосопротивления	Рабочая площадь, мм2	Темновое сопротивление, Ом
ФС-А1	4х7	104-105
ФС-Б2	11х11	105-107
ФС-К1	4х7,2	≥ 107
ФС-К2	4х7,2	≥ 106

Вольтамперная характеристика. На рис. 3 изображена типичная для всех фотосопротивлений вольтамперная характеристика.

Мерой чувствительности фотосопротивлений является разность токов в темноте и на свету (фототок), отнесённая к величине светового потока. Как видно из рис. 3, фототок у фотосопротивлений не имеет насыщения, благодаря чему у них чувствительность пропорциональна приложенному напряжению. В связи с этим для характеристики качества фотосопротивлений введена удельная чувствительность, представляющая собой чувствительность в микроамперах на люмен, отнесенная к одному вольту приложенного напряжения.

Рис. 3.

Световая характеристика. Зависимость фототока от интенсивности освещения у фотосопротивлений имеет нелинейный характер. Максимальная крутизна, а следовательно, и чувствительность лежит в области малой освещенности, по мере же увеличения интенсивности освещения чувствительность падает.

Нелинейность световой характеристики фотосопротивлений нежелательна, и её стремятся устранить. Для суждения о величине нелинейности наиболее чувствительных фотосопротивлений на рис. 4 приведены световые характеристики ФС-К1 и ФС-К2, снятые в широком интервале освещённостей.

Рис. 4.

При необходимости величину светового потока или освещенность можно легко определить по следующей формуле:

Ф = 10^-4*SL,

где S - площадь светочувствительного слоя ФС в см², L - освещённость в люксах.

Чувствительность. Удельная чувствительность фотосопротивлений весьма велика. Максимальную чувствительность определяет допустимое предельное рабочее напряжение, которое для различных фотосопротивлений различно.

Наиболее чувствительными в настоящее время являются фотосопротивления типа ФС-КВ, у которых чувствительность достигает 1200000 микроампер на люмен. Для сравнения можно указать, что чувствительность вакуумных фотоэлементов типа СЦВ равна всего 100 мкА/лм.

Следует подчеркнуть, что для фотосопротивлений типа ФС-А1 отнесение чувствительности к люменам является условным, поскольку их спектральная чувствительность лежит в невидимой инфракрасной области спектра.

Данные об удельной чувствительности, относительном изменении сопротивления получены при освещённости 200 люкс для ФС-А1 и ФС-Б2 и освещенности 100 люкс для ФС-К1 и ФС-К2.

Мощность рассеивания. Последние типы фотосопротивлений - ФС-К0, ФС-К1 и ФС-К2 - отличаются не только высокой чувствительностью, но и значительной мощностью рассеивания. Так, например, в импульсном режиме со временем импульса, не превышающим 3 сек., при напряжении 100 В эти фотосопротивления допускают фототоки до 20-25 мА.

Величины допустимых мощностей рассеивания для фотосопротивлений типа ФС-КО, ФС-К1 и ФС-К2 приведены в табл. 2.

Таблица 2

Режим работы	Допустимая мощность рассеивания, Вт
	ФС-К0	ФС-К1	ФС-К2
Постоянная нагрузка	0,2	0,1	0,15
Импульсная нагрузка, со скважностью 1:10	2,5	2,5	2,5

Спектральная чувствительность. Чувствительность фотосопротивлений к различным участкам спектра различна. Как это видно из рис. 5, фотосопротивления имеют различную чувствительность в видимой области спектра. Кривая 1 для фотосопротивлений типа ФС-А1, кривая 2 = ФС-Б2, кривая 3 = ФС-К1, кривая 4 = ФС-К2. Фотосопротивления типа ФСК-M1 обладают чувствительностью не только в видимой области спектра, но и захватывают область рентгеновского излучения и даже гамма-лучей. Существуют также фотосопротивления, обладающие чувствительностью в области более длинных волн (до 6,5 микрон). При такой чувствительности фотосопротивления способны «чувствовать» инфракрасное излучение человека.

Рис. 5.

Инерционность. Все фотосопротивления отличаются относительно высокой инерционностью, которая проявляется в том, что при освещении фототок в фотосопротивлениях не сразу достигает своего конечного значения (см. рис. 6).

Рис. 6.

При прекращении освещения ток достигает своего первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Характерным является то, что процесс нарастания фототока протекает быстрее, чем процесс спадания. Принимая ход спадания следующим по экспотенциальному закону, за меру инерционности приняли время, в течение которого фототок уменьшается в е раз (е = 2,7). Это время получило название «постоянной времени», которая у различных фотосопротивлений различна и может зависеть, кроме того, от интенсивности света. Особенно сильно это обстоятельство выражено у фотосопротивлений типа ФС-К, у которых с уменьшением количества света постоянная времени растёт и при 10^-8 люмена может достигнуть нескольких минут.

Таблица 3

Тип фотосопротивления	Постоянная времени, сек.
ФС-А1	4*10-5
ФС-Б2	1*10-3
ФС-К1	20*10-3
ФС-К2	30*10-3

В табл. 3 приведены величины постоянной времени для промышленных типов фотосопротивлений, а на рис. 7 - их частотные характеристики при модуляции светового потока до 10000 Гц.

Рис. 7.

Фотосопротивления весьма стабильны в работе. Характер их поведения под непрерывной нагрузкой изображён на рис. 8. Их свойства остаются неизменными и при длительном хранении, а также при работе в условиях до 80% относительной влажности.

Рис. 8.

Основными областями применения фотоэлементов являются звуковое кино и фотоэлектрическая автоматика.

Применение фотосопротивлений в звуковом кино весьма ограничено. Так, для этой цели могут быть использованы только фотосопротивления типа ФС-А. Как показал опыт, снижение отдачи у них на частотах модуляции света больше 1000 Гц может быть легко скомпенсировано.

К достоинствам ФС при применении их в звуковом кино следует отнести большую чувствительность, или отдачу, и полное исключение всех помех на входе усилителя. Последнее связано с малой величиной сопротивления ФС.

Основным недостатком их является различная чувствительность по спектру, благодаря чему снижается отдача при чтении звука на цветной фонограмме. При чёрно-белой фонограмме этот недостаток отсутствует.

Рис. 9.

Рис. 10.

На рис. 9 и 10 приведены нагрузочные характеристики, полученные экспериментально при определении величины полезного сигнала в статическом режиме для фотосопротивлений типа ФС-А1 и ФС-К1. Величина полезного сигнала у ФС-К1 на сопротивлении нагрузки 1 МОм почти равна питающему напряжению. Заметим, что это имеет место при освещенности всего 110 люкс. При больших интенсивностях света кривая рис. 10 будет смещаться так, как это показано пунктиром.

На рис. 11 изображена зависимость величины полезного сигнала от освещения. По этим данным можно судить о величине могущих возникнуть нелинейных искажений из-за непропорциональности между фототоком и световым потоком.

Рис. 11.

В области фотоэлектрической автоматики применение фотосопротивлений ограничивается их инерционностью и зависимостью от температуры.

Использование фотосопротивлений в различных схемах фотореле открывает новые, дополнительные возможности для развития фотоэлектронной автоматики. Достоинствами фотосопротивлений здесь следует считать высокую чувствительность и малые размеры, позволяющие помещать их в труднодоступные для других фотоэлементов места, например под стрелку измерительного прибора. Сравнительно невысокое сопротивление допускает значительные расстояния между приёмниками света и исполнительным устройством без применения экранированных или специальных малоёмкостных кабелей.

Схема фотореле с фотосопротивлениями может принципиально не отличаться от таковых с применением вакуумных фотоэлементов. При фотосопротивлениях лишь нужно компенсировать напряжение смещения, возникающее вследствие наличия сопротивления, лежащего, например, для ФСА в пределах 10⁴-10⁵ Ом.

На рис, 12 и 13 приведены схемы автоматических устройств с применением фотосопротивлений, предложенных Л. С. Генкиным.

Первый автомат предназначен для счета деталей различных размеров. Отличительной чертой его является использование одной лампы для работы двух электромагнитных реле.

Рис. 12.

Рис. 13.

Второй автомат предназначен для поддержания в бункере машины необходимого уровня материала.

С появлением фотосопротивлений ФС-К1 и ФС-К2 оказалось возможным осуществить схему фотореле для постоянного тока, состоящую всего из двух деталей: фотосопротивления и электромагнитного реле. Схема такого фотореле для переменного тока изображена на рис. 14. Отметим, что данная схема допускает параллельное включение нескольких фотосопротивлений.

Рис. 14.

Полупроводниковые фотосопротивления благодаря своей высокой чувствительности, стабильности в работе и малым размерам находят всё большее применение в промышленной автоматике и приборостроении. Так, на их основе созданы фотокопировальные станки; автоматы контроля температуры при горячем прокате металлов; блокировочные устройства в сортировочных автоматах для шарикоподшипниковой промышленности и контроль поверхности шариков; блокировка турбин на погасание факела; контроль задымлённости газов на теплоцентралях; автоматы для полиграфической промышленности.

Помимо этого, на основе фотосопротивлений создаются фотоэлектрические усилители, аппаратура для медицинских целей, читающие машины для слепых, аппаратура для контроля ряда неэлектрических величин и других автоматических устройств.

Б. Коломиец