книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

к отрицательно заряженной сетке и нейтрализуют ее действие. Погасить зажженный тиратрон можно только уменьшением анод­ ного напряжения до величины меньшей, чем величина потен­ циала ионизации. Для сохранения управляемости со стороны сетки используются специальные схемы или на анод подается переменное напряжение. В последнем случае тиратрон (при опре­ деленном сеточном режиме) в каждый период гаснет п зажигается, при этом восстанавливается управляющая способность сетки ти­ ратрона.

Тиратроны по сравнению с электронными лампами имеют следующие эксплуатационные особенности: 1) для определения величины анодного тока нужно знать сопротивление анодной нагрузки и напряжение анодного питания; 2) в условиях эксплуа-

тацин необходимо предварительно разогревать катод и поддер­ живать повышенную стабильность напряжения накала.

Первая особенность требуют осторожного выбора анодной на­ грузки и напряжения источника анодного питания, так как увели­ чение анодного тока сверх допустимых пределов выводит тиратрон из строя. В ряде случаев в анод включают добавочные сопротивле­ ния. Вторая особенность объясняется тем, что при недокале ка­ тода сопротивление тиратрона и напряжение между катодом и анодом возрастают. В результате этого под действием сильного электрического поля положительные ионы приобретают большую скорость и с силой бомбардируют катод, разрушая активный слой. В таких условиях срок службы тиратрона значительно сокра­ щается.

Явление недокала наблюдается при одновременном включе­ нии напряжений анода и накала и сильном понижении напря­ жения накала, объясняемом, например, колебаниями напряже­ ния сети. Поэтому в приборах с тиратронами обычно накал и анод включаются раздельно. Иногда делают автоматическое устройство для задержки включения анода при включении сети на прибор. Только самые маломощные тиратроны (такие, как ТГЗ-0,1/1,3 и ТГ1-0,02/0,5) допускают одновременное вклю­ чение анода и накала без заметного сокращения срока службы.

31

Тиратроны с холодным катодом. По своей конструкции они аналогичны стабилитронам, но имеют три электрода: анод (обычно в виде стержня), имеющий небольшую поверхность, катод — электрод с большой поверхностью и, кроме того, упра­ вляющий электрод, как правило, с небольшой поверхностью, он расположен ближе к катоду. У некоторых тиратронов (например, типа ТХ-1) управляющий электрод и катод имеют одинаковую форму и размещены симметрично относительно анода.

На рис. 16 схематично показана конструкция тиратрона типа МТХ-90.

Величина анодного напряжения, при которой возникает тлеющий разряд между основными электродами тиратрона с хо­ лодным катодом, зависит от наличия и величины тока в цепи управляющего элек­ трода. Это позволяет использовать такие

тиратроны в схемах безнакальных реле, тригерных и пересчетных схемах.

На рис. 17 показана простейшая схема безнакального реле на тиратроне с холодным катодом, причем использовано его условное изображение*. При разомкнутой цепи управляю­ щего электрода (уэ) напряжение источника Е& недостаточно, чтобы вызвать тлеющий разряд в цепи катод (к) — анод (а), и, следовательно, / а = 0. При замыкании цепи управляющего электрода возникает разряд сначала в промежутке катод — упра­ вляющий электрод, а затем и между основными электродами. При этом ток в цепи управляющего электрода / у. э не превосходит нескольких десятков микроампер, а анодный ток равен несколь­ ким миллиамперам.

Тиратрон может быть использован и так, что ток в цепи упра­ вляющего электрода будет протекать все время; при этом в кон­ трольной точке он возрастет и вызовет разряд в цепи основных1

1 Применяется также условное обозначение, при котором управляющий электрод изображается аналогично сетке электронных ламп.

32

электродов. Способы сохранения влияния управляющего элек­ трода на анодный ток после появления тлеющего разряда в тира­ троне с холодным катодом те же, что и в тиратроне с накаливаемым катодом.

При помощи тиратронов с холодным катодом можно управлять сравнительно небольшими мощностями, но так как в этих тиратро­ нах отсутствует накаливаемый катод, они экономичны и при пра­ вильном использовании надежны.

Промышленностью серийно выпускаются тиратроны несколь­ ких типов с холодным катодом: миниатюрные МТХ-90, ТХ1Б, ТХЗБ, ТХ4Б и более мощные ТХ-1. Первые чаще применяются для визуальной световой сигнализации, они оформлены в виде сигнальной лампочки. Однако могут управлять и электромаг­ нитным реле с током срабатывания не более 6—7 ма. В анодной цепи тиратрона типа ТХ-1 может протекать ток до 25 ма.

§ 6. Фотоэлементы

Фотоэлементы — приборы, употребляемые для того, чтобы обнаружить или измерить изменение освещенности. Фотоэлементы используют явление фотоэффекта, который состоит в том, что частицы лучистой энергии, проникая в поверхностные слои ве­ щества, отдают свою энергию электронам. Приобретшие допол­ нительную энергию электроны могут или выходить из поверх­ ностного слоя вещества наружу (явление внешнего фотоэффекта — фотоэмиссии), или проникать внутрь вещества, понижая его электрическое сопротивление (явление внутреннего фотоэф­ фекта, или переходить из одной части вещества в другую через так называемый запирающий слой, в результате чего появляется разность потенциалов между частями вещества, ле­ жащими по разные стороны от запирающего слоя (фотоэффект запирающего слоя или вентильный).

В зависимости от вида фотоэффекта, который используется в том или другом фотоэлементе, фотоэлементы делятся на три вида: а) фотоэлементы с внешним фотоэффектом, б) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом — фотосопротивления и в) фото­ элементы с запирающим слоем или вентильные фотоэлементы.

Прежде чем перейти к описанию работы отдельных типов фотоэлементов, коротко напомним основные понятия, характер­ ные для световых явлений.

Световые явления. По своей природе свет представляет собой электромагнитные колебания, такие же, как и колебания радио­ волн.

По современным воззрениям всякое электромагнитное коле­ бание имеет двойственный характер: с одной стороны, ему при­ сущи волновые свойства, с другой — свойства потока отдельных частиц. Чем выше частота электромагнитного колебания, тем слабее свойства волны и сильнее свойства потока отдельных частиц. Например, радиоволны имеют практически только вол­ новые свойства, а рентгеновские или у-лучи — только свойства

потока частиц. Для световых лучей характерны волновые свой­ ства и свойства потока частиц. Свет — это поток частиц лучистой энергии, которые называются квантами света или фотонами. Од­ нако световым колебаниям присущи и ясно выраженные волно­ вые свойства, которые проявляются в явлениях отражения,

Диапазон (т. е. пределы частот или длин волн) световых волн, или, как говорят, спектр, очень велик, и лишь незначительная его часть приходится на видимый свет, т. е. на такие световые колебания, которые в глазу вызывают ощущение света. Большая же часть световых волн на глаз никакого действия не оказывает, но может быть обнаружена по их тепловому п химическому дей­ ствию, а также по явлению фотоэффекта.

Ультрафиоле-

тодые лучи Видимые лучи Инфракрасные лучи

Для инфракрасных лучей характерна способность легко про­ никать через различные вещества даже значительной плотности, например эбонит, дерево. Инфракрасные лучи оказывают значи­ тельное тепловое действие, но химическое их действие очень слабое.

Световые волны короче 0,4 м к составляют ультрафиолетовый участок спектра. Энергия фотонов ультрафиолетовых лучей значи­ тельно больше, чем инфракрасных н видимых лучей. Ультрафио­ летовые лучи очень активны в химическом отношении, но они легко задерживаются веществами, прозрачными для видимых лучей, — обыкновенным стеклом, запыленным воздухом.

Источниками световых волн обычно являются накаленные тела — солнце, волосок электролампы, горящие пары или газы и т. д. Каждое накаленное тело излучает световые волны различ­ ной длины. С увеличением температуры тела возрастает количе­ ство более коротких волн. Например, металлический предмет, нагретый до 300° С, испускает только инфракрасные лучи, кото­ рые глаз не воспринимает. Если температуру этого предмета повысить до 600° С, то в его излучении появляется волна короче 0,8 м к — глаз отметит появление красного цвета. При дальней­ шем возрастании температуры металлического предмета он все

34

больше излучает волн видимой части спектра — его цвет ста­ новится все более светлым. При очень высоких температурах тела начинают испускать и ультрафиолетовые лучи.

Сила фотоэффекта зависит от спектра излучения, падающего на данное вещество, т. е. от длин световых волн, входящих в со­ став данного излучения. В общем фотоэффект тем сильнее, чем короче длина волны излучения и больше энергия фотонов. Но эта закономерность проявляется только в случае однородных ве­ ществ, например чистых металлов. В случае сложных веществ максимальный фотоэффект наблюдается для определенных участ­ ков спектра.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. На рис. 19 показано

внутрь и падает на катод. Фотопы отдают свою энергию электро­ нам вещества катода и вызывают эмиссию электронов с его поверх­ ности.

Анод представляет собой металлическое кольцо или пластинку, имеющую вывод через цоколь, т. е. ему придают такие форму и расположение, чтобы он возможно меньше препятствовал лучам света достигать катода.

Величина фотоэмиссии, т. е. количество электронов, выби­ ваемых из катода фотонами, в очень сильной степени зависит от материала катода. Большинство металлов начинает выделять электроны только при облучении их ультрафиолетовыми лучами, на видимые лучи они не реагируют. Поэтому для изготовления ка­ тодов фотоэлементов применяются специально обработанные ще­ лочные металлы — цезий, рубидий, калий, натрий и др.

У этих металлов наблюдается фотоэффект при облучении видимыми лучами. Особенно хорошие результаты дают катоды, содержащие цезий. Цезий применяется обычно не в чистом виде, а в соединении с кислородом (окись цезия) и с сурьмой.

Имейно катоды этих двух типов — кислородно-цезиевый и сурьмяно-цезиевый — и получили наибольшее распространение.

На рис. 20, а показано включение фотоэлемента с внешним эффектом. На электроды фотоэлемента подается напряжение от источника питания Е& так, что на катод подается минус, а вс апод плюс. При попадании света на катод фотоэлемента из катода

начнут вылетать электроны, которые будут притягиваться ано­ дом. По внешней цепи потечет электрический ток /ф, который в этом случае называют фототоком. Появление фототока при по­ падании света на катод будет отмечено гальванометром G, который показан на схеме. Если доступ света к катоду прекратить, прекра­ тится и фототок.

Между количеством света, падающего па катод фотоэлемента, и силой фототока существует строгая пропорциональность, т. е. если количество света увеличить вдвое, то вдвое возрастет и фото­ ток и т. д. Это очень важное обстоятельство дает возможность применять фотоэлементы для очень точных измерений силы света. Другое не менее важное свойство фотоэлементов — их безынерционность, т. е. они мгновенно реагируют на изменение силы света. Это позволяет использовать фотоэлементы в звуковом кино, телевидении и в сложнейших схемах автоматики.

Рис. 20. Включение фотоэлементов с внешним эффектом.

а — вакуумного; б — газонаполненного.

Фотоэлементы характеризуются большой чувствительностью, они реагируют на самые незначительные изменения в световом потоке, которые на глаз незаметны. Но фототоки по величине незначительны, и для их усиления применяются сложные элек­ тронные схемы.

Один из способов увеличения фототоков — применение газо­ наполненных фотоэлементов.

По своей конструкции и материалу катода газонаполненные фотоэлементы ничем не отличаются от описанных выше вакуум­ ных. Внутрь баллона этих фотоэлементов после откачки воздуха впускается некоторое количество инертного газа (обычно при­ меняется аргон). Процессы, происходящие в газонаполненном фотоэлементе, сходны с теми, которые происходят в неоновой лампе: электроны, вылетающие из катода вследствие фотоэффекта, приобретают достаточную скорость под влиянием электрического поля анода, ионизируют молекулы газа, вследствие чего коли­ чество электронов, достигающих анода, возрастает в несколько раз.

Но между неоновой лампой и газонаполненным фотоэлемен­ том имеется и существенная разница. В неоновой лампе после

36

зажигания происходит самостоятельный тлеющий разряд, при котором сила тока уже не зависит от количества первичных элек­ тронов, вылетающих из катода. В газонаполненном фотоэлемспте используется такая стадия ионизации, когда самостоятельного разряда еще не получается и сохраняется пропорциональность между количеством электронов, вылетающих из катода вслед­ ствие фотоэффекта, и количеством электронов, достигающих анода, т. е. фототоком. Необходимый режим ионного процесса в фото­ элементах достигается благодаря соответствующему выбору да­ вления (вернее, разрежения) газа в баллоне и величины разности потенциалов между анодом и катодом. Фотоэлемент может «за­ жечься», т. е. в нем начнется самостоятельный разряд, в том слу­ чае, если разность потенциалов между его электродами значи­ тельно возрастет против нормы. Тогда фотоэлемент выходит из строя, так как мощный поток положительных ионов, падающих на катод, разрушает светочувствительный слой.

Чтобы предохранить газонаполненный фотоэлемент от зажи­

тока в цепи и препятствует возникновению самостоятельного разряда. На рис. 20, б показано включение газонаполненного фотоэлемента. Здесь применено его обычное условное изображение на схемах.

Газонаполненные фотоэлементы имеют большую чувствитель­ ность, чем вакуумные. Однако газонаполненным фотоэлементам нехарактерна строгая пропорциональность между световым по­ током и фототоком, поэтому для измерительных целей они ме­ нее пригодны, чем вакуумные. Газонаполненным фотоэлементам свойственна некоторая инерционность действия, т. е. отставание во времени изменения фототока от изменения светового потока, измеряемая десятитысячными долями секунды, что в некоторых случаях имеет значение. Но для большинства схем автоматики указанные недостатки газонаполненных фотоэлементов несуще­ ственны.

Область применения фотоэлементов различных типов опреде­ ляется основными свойствами, параметрами фотоэлементов и их характеристиками, т. е. зависимостью фототока от различных величин: светового потока (световая характеристика), напряжения на электродах (вольтамперная характеристика) и длины волны света (спектральная характеристика).

Важнейшими параметрами фотоэлементов с внешним фотоэф­ фектом являются: а) напряжение питания; б) напряжение зажи­ гания (для газонаполненных фотоэлементов); в) начальная чув­ ствительность, ее изменение во времени и величина остаточной чувствительности.

Напряжение питания большинства фотоэлементов, выпускае­ мых промышленностью, должно равняться 200—250 в. При этом напряжении питания фотоэлемент имеет нормальную чувстви­ тельность.

37

Напряжение зажигания газонаполненных фотоэлементов равно 300—320 «.

Чувствительность фотоэлементов измеряется силой фототока, появляющегося в цени при освещении катода светом определен­ ной силы, т. е. при попадании на катод определенного количества света, или, как говорят, светового потока. Световой поток изме­ ряется в люменах. Люмен — большая единица. он соответствует примерно световому потоку, который падает на площадь 1 дм2, находящуюся на расстоянии 1 л от электролампы мощностью 125 вт. При обычном использовании фотоэлементов на их катод падает световой поток, измеряемый сотыми долями люмена. Единица чувствительности фотоэлемента мка/лм (микроампер на 1 люмен).

Рис. 21. Световые (а) и вольтамперные (б) характе­ ристики фотоэлементов с внешним фотоэффектом.

Чувствительность фотоэлементов непостоянна. Вначале она имеет максимальную величину (начальная чувствительность), затем при непрерывном освещении фотоэлемента наступает его «утомление» — чувствительность постепенно падает, сначала быстро, потом все медленнее и стабилизируется на некотором уровне (остаточная чувствительность). Степень утомляемости сильно зависит от силы света, падающего на фотоэлемент, и воз­ растает с увеличением силы света.

Снижение чувствительности фотоэлементов необходимо учи­ тывать при конструировании аппаратуры и при ее эксплуатации.

Параметры наиболее применяемых фотоэлементов, выпускае­ мых промышленностью, приведены в приложении 3.

На рис. 21, а приведены световые характеристики различных фотоэлементов. Они показывают, что чувствительность газона­ полненных фотоэлементов 2 выше, чем у вакуумных 1, но зави­ симость фототока от светового потока имеет прямолинейный ха­ рактер только в некоторых пределах.

На рис. 21, 6 показаны вольтамперные характеристики ва­ куумного 1 и газонаполненного 2 фотоэлементов. Онп имеют со­ вершенно различный характер, совпадая только в самом начале.

В вакуумном фотоэлементе при повышении напряжения на аноде от нуля фототок быстро возрастает и при Ua = 50 в дости­ гает величины, которая при дальнейшем повышении напряжения

Л8

изменяется очень мало. Это значит, что, начиная с анодного на­ пряжения, равного 50 в, все вылетающие из катода под дей­ ствием света электроны попадут на анод — достигнут ток насы­

щения.

В газонаполненном фотоэлементе насыщение не наступает вследствие ионизации газа, которая усиливается с увеличением анодного напряжения. Фототок с повышением напряжения все время увеличивается с нарастающей скоростью, пока не насту­ пают самостоятельный разряд п разрушение катода.

Следовательно, в вакуумном фотоэлементе в значительных пределах фототок практически не зависит от величины анодного

напряжения.

Спектральные характеристики фотоэлементов зависят почти исключительно от материала и обработки катодов. На рис. 22 приведены спектральные характеристики фотоэлемептов с сурь­ мяно-цезиевым и кислородно-цезиевым катодами. Характери­ стика первого (СЦ) лежит в ультрафиолетовой и видимой областях спектра (примерно от 0,2 до 0,7 мк). Это значит, что на видимые лучи красного цвета (0,76 мк) и на инфракрасные лучи этот фото­ элемент вообще не реагирует. Характеристика второго фото­ элемента (КЦ) охватывает всю видимую область спектра и ближай­ шую инфракрасную часть его. Максимум чувствительности лежит в начале инфракрасной части спектра.

При выборе фотоэлемента для определенной схемы автоматики следует учитывать его спектральную характеристику. Для ис­ пользования максимальной чувствительности фотоэлемента нужно стремиться к тому, чтобы спектральные характеристики источ­ ника света и фотоэлемента как можно ближе совпадали.

Фотоумножители. Наиболее совершенной разновидностью фото­ элементов с внешним фотоэффектом являются фотоумножители. По принципу действия и параметрам они напоминают вакуумные фотоэлементы, однако в них первичный фототок значительно уси­ ливается благодаря использованию вторичной эмиссии электро­ нов, т. е. способности электронов, движущихся с большой ско­ ростью в вакууме, при ударе о специально обработанную по­

39

верхность выбивать с нее значительно большее число элек­ тронов.

На рис. 23, а показан внешний вид, а на рис. 23, б схема включения простейшего однокаскадного фотоумножителя типа ФЭУ-1. Он состоит из стеклянного баллона, из которого откачан воздух, трех электродов (катода, анода я эмиттера), расположен­ ных в баллоне, и цоколя с контактами для включения.

Напряжение питания к электродам фотоумножителя вклю­ чают так, что анод относительно катода имеет потенциал 220 в, а эмиттер 170 в. Таким образом, анод относительно эмиттера за­

Рис. 23. Внешний вид (а) и Рис. 24. Многокаскадный фотоумножитель, схема включения (б) одно­ каскадного фотоумножи­

теля.

действием электрического поля устремляются в сторону анода. Проскочив сквозь отверстия в аноде, представляющем собой редкую сетку, электроны ударяются о поверхность эмиттера, рас­ положенного непосредственно за анодом. Выбитые из эмиттера вторичные электроны притягиваются анодом, они увеличивают фототок.

Чувствительность однокаскадного фотоумножителя в 7—10 раз больше чувствительности аналогичных вакуумных ФЭ. Од­ нокаскадные фотоумножители нашли широкое применение в кино (звуковоспроизведение).

Для большего усиления первичного фототока применяют многокаскадные ФУ. Принцип действия (а) и схема включения (б) такого фотоумпожителя показаны на рис. 24. ФУ состоит из фо­ токатода, анода и нескольких эмиттеров. Электроны, вылетаю­ щие под действием света из фотокатода и ускоряющиеся электри­ ческим полем, попадают на первый эмиттер. Вторичные элек­

40