Bereich: Technik          
       

Fotozelle

 

Ab Ende der 1940er Jahre erlangte Fotozellen eine stetig steigende Bedeutung. Beschränkte sich ihr Einsatzgebiet früher hauptsächlich auf Tonfilmapparaturen, hielten sie nun auch Einzug in verschiedenste andere Anwendungen. Fotozellen wurden in zahlreichen Kontroll-, Warn- und Signalanlagen sowie zur Überwachung einer gleichmäßigen Qualität von industriell hergestellten Erzeugnissen eingesetzt.

Fotozellen bestehen aus einem evakuierten oder gasgefüllten Glaskolben, der meist aus einer aus Draht geformten Anode sowie einer auf die Glaskolbeninnenseite aufgebrachte Fotokatode besteht. Die Katode hat eine im Vergleich zur Anode sehr große Oberfläche um beim Auftreffen von Licht möglichst viele Elektronen emittieren zu können. Meist nimmet die Katode rund die Hälfte der Innenfläche des Glaskolbens ein. Als Katode wird häufig eine Silberschicht auf der eine dünne Schicht eines Oxids oder Alkalimetalls, wie zum Beispiel Cäsium aufgebracht ist, verwendet. Diese Alkaliatome werden durch die Lichtenergie ionisiert und liefern dadurch freie Elektronen die zur Anode wandern.

Die für die Ionisation benötigte Energie hängt von der Lage der Alkaliatome zu den benachbarten Atomen sowie der Anzahl der freien Alkaliatome und ihrer Anordnung in der Katode ab. Daraus ergibt sich, dass eine Fotozelle an verschiedenen Punkten der Katodenoberfläche auch verschiedene Empfindlichkeiten aufweist, da es konstruktiv praktisch unmöglich ist, eine völlig gleichmäßige Verteilung der Alkaliatome zu erreichen. Diese Empfindlichkeitsunterschiede wirken sich nicht störend aus solange das Licht gleichmäßig über die gesamte Katodenfläche verteilt ist. Die im den Datenblättern angegebenen mittleren Empfindlichkeiten gehen immer von einer Vollflächigen Nutzung der Katode aus. Bei punktuellen Lichtquellen bepfiehlt sich der Einsatz einer Zerstreuungslinse vor der Fotozelle. Diese vermindert zudem die Gefahr einer örtlichen Überlastung der Katode.

Durch die Auswahl des Alkalimetalls wird auch die spektrale Empfindlichkeit der Zelle festgelegt. Durch den Einsatz einer Cäsium-Katode wird eine hohe Empfindlichkeit für rotes und infrarotes Licht erreicht. Dies ist speziell im industriellen Bereich aber auch für Alarmanlagen bevorzugt, da dies der spektralen Energieverteilung von künstlichem Licht sehr nahe kommt.
Eine Empfindlichkeit für blaues Licht erhält man durch den Einsatz von Kalium oder Antimon als Katodenmaterial.

Die Empfindlichkeit wird im allgemeinen in Mikroampere (µA) pro Lumen (lm) für eine defininierte spektrale Energieverteilung der Lichtquelle angegeben. Der Hersteller Valvo gibt die Empfindlichkeit seiner Fotozellen beispielsweise häufig für das Licht einer Glühlampe mit Wolframfaden bei einer Farbtemperatur von 2600° Kelvin an.

Ebenso wie die Katoden von Verstärkerröhren mit Oxidkatode, können auch lichtempfindliche Katoden von Fotozellen bei äußerer Erwärmung Elektronen aussenden. Diese unerwünschte thermische Emission macht sich bei Fotozellen teilweise bereits bei Raumtemperatur bemerkbar. Die Folge ist, dass ein gewisser temperaturabhängger Strom zur Anode fließt, auch wenn kein Licht auf die Fotozelle fällt. Dieser sogenannte Dunkelstrom liegt bei Cäsiumzellen etwa bei 0,1 nA/cm². In besonders empfindlichen Messanordnungen kann sich der Dunkelstrom störend bemerkbar machen und muss durch Kompensationsschaltungen beseitigt werden. Im industriellen Umfeld spielt der Dunkelstrom praktisch keine Rolle, da man im allgemeinen genügend Lichtenergie zur Verfügung hat, dass das Verhältnis von Fotostrom bei beleuchteter Zelle zu Dunkelstrom gross genug für eine sichere Auswertung ist.

Legt man an die Anode der Vakuumfotozelle eine positive Spannung, so wandern alle von der Katode emittierten Elektronen zur Anode. Eine weitere Erhöhung der Anodenspannung führt zu keinem weiteren Stromanstieg. Sinkt die Anodenspannung jedoch unter den Wert der Sättigungsspannung, so nimmt der Anodenstrom ab. Die Ursache hierfür ist, dass die Anode verhältnismäßig klein gegenüber der Katode ist und bei niedriger Anodenspannung ein Teil der Elektronen an der Anode vorbeifliegt bzw. von dieser nicht aufgenommen werden kann.
Um die volle Empfindlichkeit der Zelle auszunutzen, arbeitet man häufig mit einer Anodenspannung von 80...100 V.

Die geringe Empfindlichkeit einer Hochvakuumzelle kann durch den Einsatz einer Gasfüllung wesentlich erhöht werden. Die aus der Katode austretenden Elektronen erhalten unter dem Einfluss der Anodenspannung auf eine Geschwindigkeit die zur Ionisation der Gasatome auf ihrem Weg zur Anode führt. Die durch die Ionisation entstehenden positiven Ionen wandern ihrerseits zur Katode, können auf ihrem Weg weitere Ionen erzeugen und beim Aufprall auf die Katode weitere Ionen herauslösen. Auf diese Weise wird der ursprüngliche Elektronenstrom um ein vielfaches verstärkt, und zwar umso mehr je höher die Anodenspannung und damit die Ionisation des Gases ist. Die Anodenspannung darf jedoch nur bis zu einem gewissen Grenzwert gesteigert werden, weil darüber die "dunkle" Entladung in eine selbständige Entladung übergeht. Der dabei fließende Strom ist unabhängig vom auf die Fotozelle treffenden Licht und wird lediglich durch den äußeren Vorwiderstand begrenzt. Durch die selbständige Entladung wird die Katode derarte stark durch Ionen bombardiert, dass diese innerhalb kürzester Zeit zerstört und damit unbrauchbar wird. Bei gasgefüllten Fotozellen müssen daher besondere Vorkehrungen getroffen werden, um ein Überschreiten der vom Hersteller angegebenen maximalen Anodenspannung zu verhindern.