Содержание

Схема фотодатчика движения » Паятель.Ру


Фотодатчик регистрирует малейшие изменения светового потока, вызванные перемещением людей или предметов, включением-выключением различных световых приборов и т.п. Датчик трудно заметить, поскольку он не испускает радио и световых излучений, а малогабаритный фоторезистор легко замаскировать. Специальный источник света не обязателен, достаточно существующего освещения помещения.


Чувствительный элемент – фоторезистор R2, (Рис 1) включен в эмиттерную цепь транзистора VT1, который, задает режим ОУ DA1 (половина напряжения питания на выв 3) Благодаря С2 достаточно быстрые изменения сопротивления фоторезистора (транзистор VT1 работает как источник тока), вызывают колебания напряжения на входе ОУ в цепи обратной связи, которого, параллельно R6 включены транзисторы VT2, VT3.

Как только напряжение на R6 достигнет 0,6 В открывается один из транзисторов, нагружая на выход ОУ одно из сопротивлений R7 или R8 и вызывая общее повышение потребляемого тока детекторным блоком.

Повышение тока регистрируется в блоке питания (приемнике сигнала) транзистором VT5, который, может быть нагружен на реле, звуковой или световой сигнализатор VT4, VD1, R11 выполняют роль стабилизатора напряжения.

Для подавления переменной составляющей с частотой 50 Гц от люминесцентных ламп или ламп накаливания фоторезистор зашунтирован конденсатором С1, а в цепи обратной связи ОУ добавлена цепочка С3, С4, R5, которая, по сути, является аналогом неполярного конденсатора большой емкости.

Для индикации работы датчика в коллекторы транзисторов можно включить светодиоды, несколько уменьшив номиналы R7 и R8. Детекторный блок можно питать от любого стабилизированного источника питания на напряжение 9 – 12 В и ток до 15 мА

Рис.2
Недостатком данной схемы является наличие ложных срабатываний связанных с нестабильностью освещения (скачки напряжения в электросети, идущие по небу облака и т.п.). Этот эффект можно ослабить, если применить схему дифференциального датчика (Рис 2) исключив VT1, R1 – R4, С2.

Для нормальной работы этой схемы потребуется отобрать два фоторезистора с возможно более близкими характеристиками и установить их разделив вертикальной светонепроницаемой перегородкой.

Транзисторы можно заменить любыми кремниевыми широкого применения соответствующей проводимости (КТ315, КТ361, SS9014, SS9015, КТ209 и др.) Операционный усилитель должен работать при напряжении питания 9 – 12В отдавая ток 5 – 10 мА в нагрузку. Резисторами R6. R9 настраивается чувствительность датчика (на место R6 можно установить подстроечный 680 кОм), конденсаторами С2, С5 временные характеристики чувствительности (чем больше емкость, тем больше чувствительность к медленным движениям и наоборот)

Фоторезистор в конструкции применялся малогабаритный, типа СФ3-1. С ним детектор без труда определял движение человека в небольшой комнате Возможно применение и других типов фоторезисторов. Надо учитывать также, что приборы с маркировкой СФ2-18 СФ2-19 наиболее чувствительны к ультрафиолетовому излучению, ФСК-х и СФ2-х к видимому свету, ФСД-х, ФСА-х, СФ3-х и СФ4-х к инфракрасному излучению.

Схемы датчиков освещенности

В этой статье ЭлектроВести наведут вам три простые схемы датчиков освещенности.

Датчики освещенности или так называемые фотодатчики, по своей сути, устройства несложные. При желании простое изделие такого рода можно вполне собрать самостоятельно, имея элементарные навыки чтения электронных схем и умение держать в руках паяльник. Подобное устройство может управлять, например, включением или выключением какого-нибудь бытового прибора в зависимости от освещенности того места, где установлен датчик.

Так или иначе, схемы фотодатчиков весьма просты. Три из них, давно зарекомендовавшие себя и считающиеся классическими, мы и рассмотрим ниже. С их помощью можно будет легко автоматизировать то, что может нуждаться в такой автоматизации.

Сигнализация при затемнении с функцией ручного сброса

На данном рисунке представлена классическая и очень простая схема, могущая стать основой для системы охранной сигнализации, работающей по принципу детектора падающего светового потока:

В качестве индикатора срабатывания здесь используется светодиод (обозначенный как LED), который начинает светиться в момент, когда на фоторезистор PR не попадает достаточного количества света. Свет может быть естественным или искусственным, в зависимости от того места, где будет установлено данное устройство.

Если датчик установить в жилом помещении, то это будет, например, сигнализация контроля определенной зоны в доме. Если же установку произвести на улице, то к срабатыванию устройства побудит либо наступление сумерек, либо в светлое время суток – пересечение рабочей зоны датчика посторонним движущимся объектом.

Схема работает очень просто. Пока на датчик PR попадает достаточно света, его электрическое сопротивление постоянному току очень мало, следовательно в цепи постоянного тока данного устройства при указанном напряжении питания (от 10 до 18 вольт) вместе с резистором R1 образован такой делитель напряжения, что на элементе PR падение напряжения настолько мало, что этого напряжения не хватит чтобы тиристор VS перешел в проводящее состояние.

Конденсатор C1 практически шунтирован элементом PR. Но как только световой поток значительно уменьшится или прервется, сопротивление чувствительного элемента PR тут же вернется к значению в несколько мегаом! В этот момент параметры делителя напряжения радикально изменятся, напряжение повысится, и от источника питания U через резистор R1 начнет активно заряжаться конденсатор C1.

Как только напряжение на конденсаторе C1 достигнет напряжения отпирания тиристора VS (в районе 1 вольта), он тут же перейдет в проводящее состояние и светодиод LED получит питание через ограничительный резистор R2.

Чтобы переключить датчик в исходное состояние достаточно замкнуть кнопку S (здесь может быть установлена кнопка без фиксации или микропереключатель), а затем отпустить ее — ток через тиристор прекратится, он снова будет «ожидать», пока датчик освещенности PR не окажется затемнен.

Принципиально вместо светодиода LED с ограничительным резистором R2 в схему можно установить слаботочное электромагнитное реле с током срабатывания в районе 20 мА и с подходящим напряжением питания. Очевидно, если напряжение питания сделать больше или меньше, то и включающееся при отпирании тиристора устройство также должно быть соответствующим, то есть рассчитанным на установленное на входе схемы напряжение.

Тиристор в принципе может быть любым из тех, что применяют в устройствах плавного пуска коллекторных двигателей или в диммерах, главное чтобы параметры тиристора по току и нарпяжению обеспечивали запас относительно параметров нагрузки.

Фотодатчик PR при необходимости можно составить из нескольких соединенных параллельно элементов, с тем чтобы повысить его чувствительность. Конденсатор С1 лучше выбрать пленочный. Конденсатор фильтра по питанию C2 – чем больше — тем лучше, однако при небольшой мощности потребителя, такого как светодиод или реле, достаточно и 100 мкФ. Питание схемы осуществляется от блока питания или от набора аккумуляторов.

Датчик освещенности с регулировкой чувствительности на базе операционного усилителя

Данная схема, в отличие от предыдущей, чуть-чуть усложнена. Сюда добавлен компаратор, включенный по схеме операционного усилителя с петлей положительной обратной связи, получаемой при помощи внедренного в схему резистора R4. Операционный усилитель DA с резистором R4 защищен таким образом от паразитных колебаний и самовозбуждения.

Постоянное питание 12 вольт подается на слаботочное реле, срабатывание которого наступает в момент снижения освещенности чувствительного элемента PR, что приводит к коммутации цепи исполнительного устройства. Чувствительность фотодатчика, построенного по данной схеме, настраивается регулировкой подстроечного резистора R3.

Для защиты транзистора VT от индуктивных выбросов с обмотки реле К (в момент резкого размыкания цепи транзистором VT), в схему включен защитный диод VD. Операционный усилитель может быть использован любой подходящий. А за подавление высокочастотных помех по питающему напряжению отвечает конденсатор C, емкости которого в 47 нФ вполне достаточно.

Итак, пока на чувствительный элемент PR датчика освещенности падает достаточное количество света, его сопротивление мало. Соответственно делитель напряжения, образованный элементами PR и R1 дает на входе №2 операционного усилителя (на неинвертирующем его входе) потенциал больший, чем на входе №3 (на инвертирующем входе операционного усилителя).

В таком состоянии на выходе операционного усилителя будет минимальный уровень напряжения и транзистор VT не откроется, так как напряжение (определяемое делителем на резисторах R5 и R6) и ток его базы (ограничиваемый резистором R5) находятся на уровне нуля. В такой ситуации обмотка реле К не получает питания.

Как только освещенность элемента PR окажется настолько слабой, что его сопротивление повысится до такой степени, что потенциал на входе №2 операционного усилителя окажется ниже потенциала на его входе №1, в этот момент на выходе ОУ появится напряжение высокого уровня, которое приведет к отпиранию транзистора VT и к питанию через него обмотки реле К, коммутирующего исполнительное устройство. Исполнительным устройством может выступать лампа, сирена, электрический замок и т.д.

Фотореле на 555 таймере

Для включения ночного освещения на территории приусадебного участка или возле подъезда, отлично подойдет это несложное устройство на базе популярной микросхемы 555.

Когда на чувствительный фоторезистор PR падает достаточное количество света, его сопротивление сильно снижено, так что через делитель напряжения на резисторе R1 и сопротивлении элемента PR, на базу транзистора VT поступает очень слабый ток, недостаточный для отпирания данного транзистора.

Если освещенность уменьшается, сопротивление PR возрастает, и напряжение и ток базы транзистора VT увеличиваются, что приводит в свою очередь к тому, что транзистор VT переходит в проводящее состояние. Обмотка реле К1 активируется и коммутирует тиристор VS анодом к плюсовой шине питания.

Таймер 555 запускается, и на выводе №3 данной микросхемы появляется напряжение 10,5 В. Данное напряжение способно питать обмотку маломощного реле К2 (с током потребления обмотки до 250 мА).

Реле К2 коммутирует нагрузку, например лампу системы освещения во дворе и т.п. Главное условие – чтобы реле К2 допускало пропускание через себя номинального тока нагрузки и при этом не перегревалось. При восходе солнца лампа погаснет (по принципу, аналогичному схеме №2)

Характеристики пассивных и активных элементов, приведенных на данных принципиальных схемах, подбираются исходя из величины напряжения и возможностей источника питания, а также в соответствии с параметрами нагрузки, включение и выключение которой призвана автоматизировать та или иная собираемая схема.

Ранее ЭлектроВести писали, что в Луцке (Волынская область) планируют обустроить 9 новых “умных” остановок общественного транспорта на солнечных панелях и с контейнерами для раздельного сбора мусора.

По материалам: electrik.info.

Фотодатчики и их применение – Статьи об энергетике


Электронные схемы с применением фотодатчиков нашли широкое применение как в схемах радиолюбителей, так и в промышленной электронике. Простейший фотодатчик состоит из фотоприемника (фотодиод, фототранзистор) и источника излучения (чаще всего инфракрасного).

Схемы фотодатчика на основе источника и приемника называют фотопрерывателями. Принцип действия основан на прерывании сигнала поступающего от источника к фотоприемнику. Простейшей схемой с применением такого датчика является схема цифрового энкодера.

Типы фотодатчиков

1. Фоторезистор
Фоторезистор представляет собой фотодатчик, изменяющий величину своего омического сопротивления под воздействием излучения. Фоторезисторы характеризуются малым быстродействием, поэтому их применение ограничено в современной электронике.

2. Фотодиод
Фотодиод – полупроводниковый прибор, способный проводить электрический ток только в одном направлении. Регулирование величины обратного тока в цепи регулируется изменением интенсивности падающего света. Кроме того фотодиод может выступать как источник фотоэдс.

3. Фототранзистор
Фототранзистор может быть выполнен в двух исполнениях: с тремя выводами (как обычный транзистор) и с двумя выводами (коллектор, эмиттер). Дополнительный вывод базы фототранзистора позволяет использовать его в качестве полностью управляемого полупроводникового элемента. Фототранзисторы с двумя выводами могут управляться только световым излучением.
Проверку работоспособности фототранзистора можно провести мультиметром. При изменении светового излучения происходит изменение сопротивления коллектор-эмиттер от максимального при минимальном излучении, до минимального – при максимальной интенсивности.

Спектр света

Практически все фотодатчики настраиваются на определенный спектр излучения. Поэтому при выборе фотоприемника следует учесть, какой из источников света является оптимальным для данного фотодатчика.

Сопряжение фотодатчика с микроконтроллером

Широкое применение микроконтроллеров привело к необходимости использования фотодатчиков в качестве чувствительных элементов. Фотодатчики подключаются на дискретные входы микроконтроллера по следующим схемам:

Стоит отметить, что для полупроводниковых элементов перед подключением необходимо определить их полярность.

Измерение освещенности

Фототранзисторы и фотодиоды реагируют на достаточно узкий спектр светового излучения. Основная функция таких элементов – работа в ключевом режиме. В связи с этим создание измерителей освещенности на этой элементной базе достаточно затруднительно.
Выходом в такой ситуации может послужить применение микросхемы TSL230R, позволяющей преобразовать уровень освещенности в частоту. Управление микросхемой осуществляется внешними сигналами, с помощью которых можно изменять чувствительность фотодиода. Частота выходного сигнала может достигать 1МГц.
Схема подключения микросхемы TSL230R к микроконтроллеру приведена ниже.


Простые фотодатчики | Техника и Программы

Фотодатчики и реализованные на их основе электронные устройства, управляющие различными бытовыми приборами, давно популярны среди радиолюбителей. Казалось бы, невозможно уже найти что-либо новое в схемном решении для таких устройств. Тем не менее, вашему вниманию предлагаются три надежные схемы, отличающиеся простотой и высокой чувствительностью к воздействующему на датчики световому потоку.

Простое и надежное устройство охранной сигнализации с самоблокировкой представлено на рис. 3.7.

Охранная сигнализация с самоблокировкой

Рис. 3.7.

Устройство применяется в качестве детектора освещения — то есть светодиод HL1 загорается, если на фотодатчик — фоторезистор PR1 — не попадает естественный или электрический свет. Этот узел эффективно поможет при ограждении зоны безопасности. Пока фоторезистор PR1 освещен, он оказывает малое сопротивление постоянному электрическому току и падения напряжения на нем недостаточно для отпирания тиристора VS1. Если поток света, воздействующий на фотодатчик, прерывается, сопротивление PR1 увеличивается до 1 …5 МОм, и конденсатор С1 начинает заряжаться от источника питания. Это приводит к отпиранию тиристора VS1 и включению светодиода HL1. Кнопка S1 предназначена для возврата узла в исходное состояние. Вместо светодиода HL1 и включенного последовательно с ним ограничивающего ток резистора R2 можно использовать маломощное электромагнитное реле типа РЭС10 (паспорт РС4.524.302,

PC4.524.303), РЭС15 (паспорт РС4.591.003) или аналогичное с током срабатывания 15…25 мА. При выборе реле следует иметь в виду, что при повышении напряжения источника питания ток через обмотку реле повышается. В схеме можно вместо тиристора КУ101А применить любые приборы серии КУ101. Фотодатчик PR1 представляет собой два параллельно соединенных (для лучшей чувствительности) фоторезистора СФЗ-1. Конденсатор С1 типа МБМ, КМ или аналогичный. Светодиод любой с током до 10 мА. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Кнопка S1 может быть любой. В авторском варианте использован микропереключатель МПЗ-1.

На рис. 3.8 изображена схема датчика освещенности с усилителем на базе микросхемы К140УД6.

Рис. 3.8. Датчик освещенности

Этот электронный узел имеет склонность к самовозбуждению. Введение резистора положительной обратной связи R4 создает гистерезис с целью предотвращения паразитных колебаний. Без положительной обратной связи, как показала практика, при эксплуатации узла с источником питания с напряжением более 11 В в такой схеме возникают паразитные колебания (усилитель самовозбуждается и генерирует ложные срабатывания реле). Значение сопротивления резистора R4 приведено для напряжения источника питания 12 В. При увеличении Unk1T сопротивление резистора R4 необходимо будет подобрать. Чувствительность узла регулируется переменным резистором R3. Операционный усилитель DA1 включен по классической схеме с коэффициентом усиления 1. Диод VD1 защищает транзистор VT1 от бросков обратного напряжения при срабатывании реле. Вместо К140УД6 можно без изменений схемы применять однотипные операционные усилители К140УД608, К140УД7. Конденсатор С1 служит для фильтрации высокочастотных помех в цепи источника питания. Транзистор VT1 можно заменить на КТ315А—В, КТ312А—В. Переменный резистор R3 типа СПЗ-1ВБ. Типы конденсаторов и постоянных резисторов — как в схеме на рис. 3.7.

На рис. 3.9 показана схема с универсальным таймером КР1006ВИ1.

Рис. 3.9. Электрическая принципиальная схема датчика на основе таймера КР1006ВИ1

Этот простой автомат для включения ночного освещения можно эффективно применять как в городских условиях, так и на даче или в сельской местности. Если на фоторезистор (два параллельно подключенных для лучшей чувствительности фоторезистора СФЗ-1) попадет хотя бы слабый свет, то транзистор VT1 закроется, т. к. сопротивление между его базой и эмиттером значительно меньше, чем сопротивление между его базой и положительным выводом источника питания. При уменьшении освещенности рабочей поверхности фоторезисторов сопротивление между базой и эмиттером транзистора VT1 возрастает — становится больше 100 кОм. Так сопротивление между базой VT1 и положительным выводом источника питания оказывается низким, транзистор VT1 открывается. Реле К1 срабатывает и подключает вывод анода тиристора VS1 к «плюсу» источника питания. После этого включается универсальный таймер DA1 КР1006ВИ1 и на его выходе (вывод 3) устанавливается напряжение 10,5 В. Выход этой микросхемы достаточно мощный — позволяет управлять устройствами, потребляющими ток до 200 мА — поэтому к выходу DA1 можно подключать маломощные реле без ключевого транзисторного каскада. Реле К1 срабатывает и удерживает во включенном состоянии лампу освещения EL1. Вместо лампы EL1 возможно применение другой активной нагрузки с потребляемой мощностью не более 0,2 А (этот параметр обусловлен характеристиками рекомендованного маломощного реле). Таким образом, нагрузка (электрическая лампа освещения) оказывается включенной всегда, пока на фотодатчик не воздействует минимальный световой поток. Устройство выдержало экспериментальные испытания и работает надежно, оно применяется в авторском варианте для включения лампы освещения при наступлении ночи (фотодатчик обращен к естественному свету). Благодаря высокой чувствительности прибора лампа освещения EL1 выключается при восходе солнца.

Тиристор VS1 — КУ101А—Г, КУ221 с любым буквенным индексом. Транзистор VT1 можно заменить на КТ312А—В, КТ3102А—Ж, КТ342А—В или аналогичный по электрическим характеристикам. Коэффициент усиления этого транзистора по току Ь21э должен быть не менее 40. Реле — любое маломощное, с током срабатывания 10…30 мА при напряжении 12 В. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Конденсатор С1 типа KM. С2 — типа К50-20 на рабочее напряжение не менее 16 В. Диоды VD1, VD2 защищают, соответственно, переход транзистора VT1 и выход микросхемы DA1 от бросков переменного тока и препятствуют дребезгу контактов соответствующих реле К1, К2 при их срабатывании. Такие диоды можно заменить на любые из серии КД522.

Все три схемы непритязательны к питающему напряжению и при использовании в качестве узлов коммутации маломощных реле стабильно работают с бестрансформаторными (способными отдать полезный ток более 70 мА) и трансформаторными стабилизированными источниками питания с выходным напряжением 10…16 В.

Предлагаемые схемы являются, по сути, универсальными параметрическими сигнализаторами. Поэтому в них в качестве датчиков вместо фоторезисторов возможно применить другие датчики со схожими электрическими параметрами (минимальное/максимальное сопротивление), например терморезисторы.

Электротехника: Фотодатчик своими руками.

Инфракрасные фотодиоды используемые в телевизорах (или каких либо других управляемых приборах) для приёма сигнала могут быть применены для множества других целей. Повысив чувствительность фотодиода усилителем можно определять степень освещённости солнцем (или каким либо другим источником света в спектре которого присутствует инфракрасный свет). Для повышения чувствительности фотодиода можно применить простую схему доступную для сборки начинающему радиолюбителю. Рассмотрим эту схему:

Рисунок 1 – Фотодатчик

Транзистор VT1 усиливает ток фотодиода VD1, транзистор VT2 усиливает ток транзистора VT1.

Всё просто! Фотодиод можно достать из фотоприемника из телевизора. Фотоприемник может выглядеть так:

Остальные детали несложно достать, транзисторы КТ315 широко использовались (и используются) в разной аппаратуре. Рассмотрим детали:

Катод у фотодиода располагается справа (если фотодиод лежит как на фотографии выше), на схеме (рисунок 1) катод соединён с коллекторами транзисторов VT1 и VT2 и соединён с резистором R1. Электродвигатель пригодиться для экспериментов с фотодатчиком. Для упрощения сборки на выводы транзисторов можно нацепить куски изолятора от проводов с разными цветами, например:

зелёный – база, 

белый -коллектор,

без изолятора – эмиттер.

Далее рассмотрим сборку:

Чёрными линиями показано как соединять выводы. Моторчик служит для визуального определения работоспособности схемы (вместо него можно поставить другой подходящий прибор например миллиамперметр (это даже лучше)).

Рассмотрим собранный фотодатчик:

Такой датчик можно использовать для построения beam роботов, программируемых роботов, игрушек и много чего ещё. Рассмотрим схему с электродвигателем и батарейками:

Рисунок 2 – Схема с электродвигателем и батарейками

Электродвигатель для транзистора представляет активно-индуктивную нагрузку так как обмотки двигателя имеют индуктивность поэтому для защиты транзистора VT2 желательно поставить параллельно ему обратный диод и/или конденсатор параллельно двигателю, но схема работает и без этого.  

Схема приведенная ниже иллюстрирует как данный фотодатчик можно использовать для включения освещения в темноте и включения электродвигателя при свете от солнца или какого либо другого источника инфракрасного излучения (пульт д. у., свеча, лампа и т. д. (тепло человеческого тела и другие подобно холодные предметы не подходят из за малой длинны волны)):

Рисунок 3 – Схема включения светодиода в темноте и включения электродвигателя при свете

Данный фотодатчик можно использовать в системах дистанционного управления с нестандартными протоколами передачи данных или для управления электромагнитными реле коммутирующими мощную нагрузку и много для чего ещё.

Схемы фотодатчиков.

Схемы фотодатчиков.

Бесконтактный оптический датчик, использующий пропадание луча.

Фотодиод является потенциально широкополосным прием­ником. Этим обуславливается его повсеместное применение и популярность.

Принцип работы фотодатчиков в копировальных аппаратах такой же, как у фотореле. Оптический излучатель создает луч, на расстоянии от него фотоприемник принимает луч (рис. 1). Как только луч пропадает — кто-то пересекает барьер, например «флажок», поднятый движущимся листом бумаги — срабатывает схема автоматики. На этой основе создаются дат­чики для различных расстояний. Существуют датчики, улавливающие ИК излучение или обычный дневной свет. Принцип работы у них один и тот же.

 

Рис. 1.  Фотодатчик.

 

Когда фоторезистор (фотодиод) освещает луч, каскад на составном транзисторе открыт, и постоянное напряжение на кол­лекторе стремится к нулю. Когда луч пропадает, освещенность фотоприемника снижается, транзисторы закрываются, и на выхо­де появляется высокий уровень напряжения, который управляет дальнейшей схемой автоматики. Такое схемотехническое реше­ние отличается от приведенных выше вариантов индуктивных датчиков в лучшую сторону своим быстродействием.

Бесконтактный оптический датчик, использующий отраженный луч

На рис. 2,а показана блок-схема, построенная по прин­ципу «эхолота». Есть такой прибор, замеряющий глубину и рас­стояние в воде до других объектов. В «эхолоте» излучением являются звуковые колебания с различной длиной, волны.

Принцип действия датчика следующий: от передатчика сигналов  (блок   1)  луч  уходит  в  пространство.   В   плоскости параллельно передатчику и под углом к нему расположены фо­топриемники (блок 2), также обращенные в пространство. При отсутствии отражающего объекта энергия, излучаемая светодиодом, рассеивается, не попадая на чувствительную поверх­ность фотоприемников. При появлении объекта в пределах действия активного излучения световой отраженный луч улав­ливается одним или несколькими датчиками-приемниками, вследствие этого от фотоприемника на управляющую схему по­ступает импульс. Расстояние от излучателя сигнала до прием­ника (датчика) в плоскости излучения не должно превышать 4…5 сантиметров. Однако, если в качестве объекта-отражателя использовать зеркальную поверхность (даже без фокусирую­щей линзы) с радиусом кривизны 50…80 мм, то устройство мо­жет эффективно срабатывать на расстоянии до отражающего объекта до 25 см. Принципиальная   схема   датчика показана   на рис. 2,б).

 

Рис. 2. Оптические датчики.

 

Датчик (оптрон АОРС113А — оптопара с открытым оптическим каналом, в данной схеме его излучающие светодиоды и принимающие фоторезисторы вклю­чены параллельно) монтируется на одну из стенок. Аноды излучающих диодов внутри корпуса оптрона объе­динены и имеют общий вывод 8. Корпус АОР113А и АОРС113А — металлический, с шестнадцатью выводами, на основе керамиче­ской подложки, типа «планар», со стеклянным окном. Это позво­ляет упростить монтаж к ровной контролируемой поверхности. Отличие АОР113А от АОРС113А в том, что в составе АОРС113А находятся два идентичных приемо-передатчика (по­добные одному в АОР113А). Оптрон АОРС113А позволяет контролировать соответственно две координаты и включать дифференциальные фотоприемники последовательно либо па­раллельно. В схеме управления должна быть преду­смотрена задержка подачи сигнала тревоги (таймер) для того, чтобы исключить ложные срабатывания системы.

Отраженный сигнал датчика, соот­ветственно, изменяет сопротивление фоторезисторов в корпусе оптрона с открытым оптическим каналом. Это приводит к измене­нию режима составного транзистора и появлению импульса тока на выходе. Так же как и в первом случае, фотоприемники (фото­резисторы) подключаются параллельно (их общее сопротивление при световом воздействии уменьшается быстрее — происходит увеличение чувствительности узла). Когда отражающего сигнала нет — суммарное сопротивление фоторезисторов оптрона высо­кое, порядка сотни кОм. На выходе схемы напряжение стремится к нулю относительно отрицательного полюса источника питания. Отраженное световое излучение уменьшит суммарное сопротив­ление фоторезисторов и откроет VT1, VT2. На выходе схемы поя­вится напряжение высокого уровня, почти равное напряжению питания. Регулировка чувствительности схемы осуществляется переменным резистором R1, который следует выбрать с линей­ной характеристикой. С выхода схемы управляющий сигнал мож­но подавать на компаратор, сравнивающий базовое напряжение с входным (собранный по любой стандартной схеме, например на К521САЗ). Компаратор на своем выходе выдаст постоянный поло­жительный сигнал при изменении напряжения на его входе. Сиг­нал с выхода компаратора через любой транзисторный ключ включит исполнительное реле, которое своими контактами замк­нет цепь нагрузки.

На рис. 3 показана схема силового фотореле «включающего -выключающего» достаточно мощную лампу накаливания, с использованием динисторов и симисторов.

 

Рис. 3.     Использование динисторов и симисторов в электрических схемах силовой части сетевого фотореле

 

Сопротивление светочувствительного элемента — фоторе­зистора СФЗ-1 — возрастает в зависимости от уменьшения светового потока, направленного на этот фотодатчик. Когда пе­ременное напряжение на конденсаторе С1 достигнет уровня срабатывания динистора VS1 — он откроется и тем самым от­кроется симистор VS2. А он, в свою очередь, подаст напряже­ние на лампу накаливания. Изменением сопротивления R1 в небольших пределах мож­но отрегулировать чувствительность схемы, особенно это станет актуальным, если применить другой, кроме указанного, тип фото­резистора (или термистор). Фотодатчики нужно оптически изолировать от светового потока нагрузки в виде лампы EL1.

Резистор R1 желательно установить мощностью 1 Вт. На­грузку в виде лампы накаливания до 60 Вт можно использовать в этой схеме в постоянном режиме длительное время. Нагрев симистора до температуры 60°С следует признать нормальным. При необходимости подключения более мощной нагрузки симистор устанавливается на радиатор для охлаждения. Вместо указанного на схеме фоторезистора можно применить фоторезисторы СФК, СФЗ-4, включенные параллельно.

 

 

делаем датчик света своими руками, простое фотореле для уличного освещения и сумеречный выключатель

Один из важных компонентов автоматики в наружном освещении, наравне с детекторами движения (ДД) и таймерами, это фотореле (или световое реле, сумеречный выключатель, фотодатчик). Предназначением этого устройства является включение наружного освещения и не только, при приходе темноты, без вмешательства человека.

За счет ускорения темпов технического прогресса и промышленных объемов производства сегодня цена светового реле не «кусается». В этой публикации мы рассмотрим устройство фотореле и особенности его подключения, кроме того, вы узнаете, как изготовить световое реле собственными руками.

Сфера использования

В большинстве своем световое реле предназначается для включения и отключения уличного освещения в автоматическом режиме. Имеются и иные возможности использования, в частности, посредством светового реле можно отрегулировать запуск водяного насоса фонтана с утра, а остановку под вечер. Сфера использования светоуправляемых приборов чрезвычайно обширна, они позволят решать самые разные вопросы, не только сопряженные с освещением.

Логично использование сумеречного выключателя для управления осветительным оборудованием в общественных местах, парках, торговых и промплощадках, на автопарковках, дорогах.

Устройство не позабудет включить освещение в вечернее время и выключить поутру без вмешательства человека. Система на 100% самостоятельна.

В частном домовладении также применяют автоматическое освещение, но здесь существенную роль играет цена на электрическую энергию. Отнюдь не всегда необходимо, чтобы осветительные приборы во дворе светили целую ночь, тратя недешевое электричество.

Как правило, требуется, чтобы освещение включалось с приходом темноты на протяжении определенного времени, а затем выключалось. Или же освещение включается исключительно в темное время суток на непродолжительный отрезок времени при присутствии людей в освещаемой области, например, около отхожего места, автогаража. В подобных ситуациях актуальны устройства, оборудованные вспомогательными приборами в виде ДД либо таймера.

Разновидности устройств

С учетом предназначения и исполняемых обязанностей прибор регулировки света подразделяется на несколько ключевых типов.

С интегрированным фотоэлементом (датчиком освещенности)

Нередко подобные устройства консолидированы в общий узел с управляемым осветительным прибором и предназначаются для монтажа на улице. Наделены высокой степенью влаго-, пылезащиты, не меньше IP44.

Функционируют исключительно с тем прибором, в который интегрированы.

С выносным детектором освещенности

Электронный узел монтируется в шкаф, щиток либо устанавливается в ином огражденном от влияния неблагоприятных условий погоды месте, в связи с этим требования к уровню защиты оболочки IP понижены, хватает IP20. Датчик освещенности монтируется снаружи и соединяется посредством электропроводов с электронным узлом. Требования к IP датчику освещенности аналогичны уличному исполнению, не меньше IP44.

Разнесенная структура дает возможность формировать щиты автоматизации и управления уличным освещением, где сумеречный выключатель – это один из элементов комбинированной, многоуровневой схемы.

При подсоединении электроконтактов светового реле к электромагнитному аппарату либо мощному внешнему реле открывается возможность осуществлять управление нагрузкой большой мощности, в частности, в случае управления приборами освещения автопарковки, супермаркета или автомобильной дороги.

На разные уровни напряжения

Электропитание сумеречного выключателя может быть рассчитано на разные напряжения тока, 12, 24, 220, 380 Вольт. Имеются модификации с довольно обширным спектром питающих напряжений от 12 до 264 В. Образцы на невысокое напряжение 12 и 24 В могут функционировать в схемах с использованием других источников электрической энергии, солнечных батарей, ветроэлектрических установок с аккумуляторным сопровождением.

Видов устройств управления светом достаточно много. В числе их имеются как обыкновенные, с опцией включения/отключения, так и профессиональные. Профессиональные отличаются расширенным набором функций (встраиваемые таймеры, календарь событий, возможность управлять дежурным и основным освещением).

С целью упрощения настройки и контроля за функционированием системы приборы оборудованы экраном. Наличие энергетически независимой памяти позволяет запоминать установленные настройки.

Структура сумеречного выключателя

Ключевым компонентом светового реле является фотодетектор, в электросхемах могут использоваться транзисторы, диоды, фотосопротивление (фоторезистор), фотоэлементы. При перемене величины светового потока, падающего на фотоэлектрический элемент, меняются его характеристики, такие как электросопротивление резистора, перемена состояния электронно-дырочного перехода в полупроводниковых триодах и диодах, а также перемена напряжения на контактах фотоэлемента.

Затем сигнал обнаруживается усилителем и устройством сравнения (компаратором – в его роли можно задействовать операционный усилитель типа К140УД6, К140УД7 либо аналогичные) и осуществляется переключение двухтактного эмиттерного повторителя, переключая или отключая нагрузку.

В роли выходных элементов управления применяют реле или симметричный триодный тиристор. При подсоединении светового реле нужно ознакомиться с практическим руководством, особенно предельной мощностью выходного узла, уделить внимание виду лампочек освещения (диодные лампы, газоразрядные, накаливания).

Необходимо знать, что фотореле с тиристорным выходом не может функционировать с энергосберегающими лампочками, не предназначенными для этого, и монтируются в регулятор мощности лучистой энергии лампы. Этот аспект нужно принимать во внимание, чтобы не остаться со ставшими неработоспособными световым реле и лампочкой. Теперь разберем пару схем для сборки светового реле в домашних условиях своими силами.

Самостоятельная сборка

Исходя из того, какой вид светового реле вы избрали, будет определяться и схема его изготовления. Сейчас мы рассмотрим простую схему, по которой можно будет без каких-либо затруднений смонтировать прибор своими руками. В собственной основе фотореле имеет микросхему КР1182ПМ1. Если на улице светло, фоторезистор (фотодиод) VT1 засвечен. Протекающий через его p-n переход электроток закрывает внутри фазового регулятора симисторы. Вследствие этого симистор VS1 окажется закрыт, а лампочка EL1 не станет светиться.

Как только подходит вечер, происходит понижение освещенности фотодиода VT1. Вследствие этого уменьшается и электроток, проходящий через p-n переход. Это влечет за собой то, что в микросхеме открываются транзисторы. Они, как правило, содействуют открыванию симистора VS1 и включению лампочки.

Лишь потому, что схема изготовления подобного датчика не имеет пороговых компонентов, включение лампочки и ее отключение осуществляется размеренно. Помимо этого, большая чувствительность сумеречного выключателя дает возможность включаться осветительному прибору на всю силу исключительно при приходе глубоких сумерек.

Дабы уменьшить помехи в деятельности самодельного устройства, в схему необходимо добавить катушку индуктивности L1 и конденсатор C4.

В роли конденсатора нужно брать К73-16 либо К73-17 с напряжением не меньше 400 В. Равным образом можно применять конденсаторы К50-35. На теплоотвод с поверхностной платформой в 300 см2 нужно инсталлировать симистор VS1. Катушку индуктивности делаем из 2 склеенных ферритовых фильтров К38×24×7 (можете взять модель М2000НМ). Обмотку накручиваем в один слой, который должен состоять из 70 витков проволоки ПЭВ-2 с сечением в 0,82 миллиметра.

Грамотно собранное световое реле не имеет нужды в отладке. При возникновении потребности увеличить чувствительность в схему следует добавить еще один фотодиод. При его отсутствии можно сделать из старого транзистора МП 39 либо МП 42 – срезать у него оболочку напротив коллектора. При отладке непременно соблюдайте меры предосторожности, поскольку все элементы прибора будут пребывать под напряжением.

Второй метод сборки

Имеется и несколько иной метод. Тут сборка осуществляется на основе полупроводникового встроенного устройства Q6004LT (квадрак). В такой версии вам потребуются:

  • устройство Q6004LT;
  • фотодиод;
  • обыкновенный резистор.

Собранный прибор будет питаться от электросети в 220 В. Принцип действия этой схемы такой.

  • Свет создает на фотодатчике небольшое сопротивление. Одновременно на управляющем электроде устройства Q6004LT будет пребывать маленькое напряжение.
  • Квадрак останется закрытым. Вследствие чего сквозь него электроток проходить не будет.
  • Когда светосила уменьшится, на фотодиоде увеличится сопротивление, что будет способствовать резкой смене напряжения, подающегося на тринистор.
  • Повышение амплитудного значения напряжения до метки в 40 В влечет за собой открытие симистора. По цепи побежит ток, в итоге включится освещение.

Чтобы произвести настройки этой схемы, нужно использовать резистор. Его изначальное сопротивление должно быть 47 кОм, но сила сопротивления должна выбираться с учетом типа задействованного в электросхеме фотодиода. В роли фотодатчика можно применять следующие компоненты: СФ3-1, ФСК-7 либо ФСК-Г1.

Использование мощного устройства Q6004LT позволяет подсоединить к самодельному прибору нагрузку мощностью до 500 Вт. А применение в схеме вспомогательного теплоотвода даст возможность повысить мощность до 750 Вт. В будущем возможно использование квадрака, обладающего рабочими токами 6, 8, 10 либо 15 А.

Основные достоинства такой схемы сборки – это минимальное количество элементов, нет блока питания и возможность увеличения мощности. Вследствие этого сборка данного прибора в домашних условиях пройдет довольно скоро и без затруднений, даже когда этим займется новичок.

О том, как собрать фотореле своими руками, смотрите далее.

Примечания по применению фотодатчика

– Marktech Optoelectronics

Принцип работы оптических датчиков Основная схема оптического датчика показана на Рисунке 2-2. 1 (а). Анод светодиода подключен к линии питания VCC через резистор RE, а катод заземлен. Прямой ток IF проходит через светодиод и излучает инфракрасный свет, невидимый для глаза. Коллектор фототранзистора подключен к линии питания VCC через резистор RL, а эмиттер заземлен.Далее коллектор подключается к входному выводу компаратора или ИС следующего каскада. Светоизлучающие и детектирующие устройства расположены, как показано на Рисунке 2-2.1 (b). Когда светозащитная пластина, то есть цель, которую нужно обнаружить, проходит между эмиттером и детектором, фототранзистор выключается, и потенциал на коллекторе повышается. С другой стороны, при его удалении транзистор включается и потенциал коллектора падает. Другими словами, существование вещества обнаруживается и преобразуется в электрический сигнал без контакта с ним.Обычно этот сигнал вводится в следующую схему обработки сигналов следующего каскада для управления различными периферийными функциями.

Рисунок 2-2. 1 – Принцип действия оптического датчика

Процедуры проектирования схем оптических датчиков Сначала получите значения RE и RL. На рисунке 2-2.1 (а), когда прямое падение напряжения светодиода равно VF, ток IF, протекающий к светодиоду, определяется выражением: (1) IF = (VCC-VF) / RE и необходимо удовлетворить (2) IF = IF (MAX) (Ta = TOPR (MAX)) Из (1) и (2) RE определяется по следующей формуле: (3) ЕСЛИ = (VCC-VF) / ЕСЛИ (МАКС) Как видно на рисунке 2-2.2, чем больше IF, тем больше будет создаваться оптический выходной IE, и поэтому необходимо вычислить IF (MIN), принимая во внимание колебания допустимых потерь IF и IE после определения RE. Правильное значение RL: получить верхнее предельное значение RL. На рисунке 2-2.1 (b), когда светозащитная пластина находится внутри, фотоэлектрический ток IL, создаваемый световым излучением светодиода, не течет к фототранзистору, а течет через фото утечки. ток IL ‘и темновой ток Id только протекают. Потенциал коллектора VOH в это время равен: VOH = VCC – RL x (Id + IL ’) Однако предполагается, что входной / выходной ток в / из следующего каскада можно не принимать во внимание.

Рисунок 2-2.2

Поскольку Id быстро увеличивается с повышением температуры окружающей среды, как показано на рис. 2-1.5, предполагая, что входное напряжение высокого уровня на следующей ступени равно VIH, необходимо выполнить следующие условия: VIH VOL Формулы (4) и (5) должны выполняться даже при нижнем предельном значении IL. Нижнее предельное значение IL (MIN): IL (MIN) = CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn

Рисунок 2-1.5

Dt: коэффициент снижения CTR во время работы (рис. 2-1.7) DTa: изменение температуры CTR (рис.2-1,6) Dn: изменение CTR от пыли и грязи Из формул (4) и (5), RL = (VCC – VIL) / (IL (MIN) + Id + IL ’) Чем меньше RL, тем короче станет время переключения. КАК ПОЛУЧИТЬ СОЕДИНЕНИЕ СВЕТОВЫХ И ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ В дальнейшем характеристики связи светоизлучающих и детектирующих устройств рассчитываются как начальная конструкция, чтобы увидеть, применимы ли они. Затем, в качестве второго шага, представлен метод проверки фактической работы и т. Д. Первоначальный проект Характеристики сцепления типичного продукта показаны на рисунках 2-4.1 ~ 2-4,3. Такие характерные диаграммы несколько различаются в зависимости от комбинации светоизлучающих и детектирующих устройств. Обычно, когда d> 1 см или более в следующем методе расчета, эти характеристики могут быть получены приблизительно без их индивидуального исследования.

(слева) Рисунок 2-4.1 – Характеристики сцепления TLN108 и TPS601A (справа) Рисунок 2-4.2 – Характеристики сцепления TLN105B и TPS703

Рисунок 2-4.3 – Характеристики сцепления TLN107A и TPS608A

Сначала считайте интенсивность излучения IE (MIN) светоизлучающего устройства и световой ток IL (MIN) светодетектирующего устройства в соответствии с условиями, указанными в техническом паспорте. Поскольку интенсивность излучения IE (мВт / ср) эквивалентна падающему излучению EO (мВт / см2), излучаемому на площадь 1 см2 на расстоянии 1 см, достигаемое падающее излучение E (фактическое) на расстоянии d см вычисляется по следующей формуле: E (Фактический) ~ IE / d2 (мВт / см2) Предполагая, что падающее излучение светоприемного устройства в условиях чувствительности к обнаружению света равно E, световой ток IL (фактический) в связанном состоянии получается следующим образом: IL (фактический) = IL x (E (фактический) / E) Когда принимаемый световой ток очень мал и сложно спроектировать схему последней ступени, увеличьте постоянный прямой ток IF светоизлучающего устройства или увеличьте интенсивность излучения IE (мВт / ср) за счет импульсного прямого тока. В качестве примера проведите обследование при следующих условиях: Излучатель: IE (MIN) = 1 мВт / ср при IF = 20 мА Детектор: IL (MIN) = 20 мкА при E = 0,1 мВт / см2, VCE = 3 В Расстояние между излучателем и детектором: d = 1,5 см E (фактическое) (MIN) = IE / d2 = 1 x (1 / 1,52) = 0,44 мВт / см2 (МИН) IL (фактический) (MIN) ~ (E (фактический) / E) x IL (MIN) = (0,44 / 0,1) x 20 мкА = 88 мкА Поскольку IL (фактический) (MIN) составляет 88 мкА, напрямую управлять TTL невозможно, но можно подключить микросхему C-MOS. Затем, хотя нагрузка на светоприемное устройство определяется в соответствии с напряжением питания, скорость его переключения сильно зависит от величины нагрузки, и ее необходимо проверить заранее. Схемы применения фотодатчиков Схемы применения инфракрасных светодиодов Поскольку выходная мощность Po инфракрасного устройства зависит от прямого тока светодиода, IF, состояние выхода может быть изменено путем управления прямым током. Здесь объясняются типичные методы освещения, такие как освещение постоянным током и т. Д., А также меры предосторожности при проектировании. На рис. 3-1.1 показана основная схема освещения при использовании постоянного тока. ЕСЛИ в этом случае выражается следующей формулой: ЕСЛИ = (VCC – VF) / R VCC: напряжение питания VF: прямое напряжение светодиода IF: Прямой ток, идущий на светодиод Схема освещения PHO DC

(слева направо) Рисунок 3-1.1 – Привод постоянного тока Рисунок 3-1.2 – Схема управления постоянным током Рисунок 3-1.3 – Схема управления несколькими светодиодами

На рис. 3-1.2 показана схема, охватывающая варианты VF светодиода с транзистором. ЕСЛИ в этой схеме выражается следующей формулой: ЕСЛИ = (VB – VBE) / R3 VB: базовое напряжение VBE: напряжение от базы к эмиттеру R3: сопротивление эмиттера Кроме того, можно уменьшить температурную зависимость выхода, правильно установив VBE и VB в этой схеме. Когда выходная мощность недостаточна или светоприемное устройство расположено слишком далеко, можно замкнуть цепь через последовательное или параллельное соединение, как показано на рис. 3-1.3. В этом случае, IF = (VCC – nVF) / R (последовательное соединение) IF = (VCC – VF) / R (параллельное соединение) Вождение на переменном токе На рис. 3-1.4 показаны основные схемы для почти полуволнового освещения переменного тока. Как правило, существует два способа вождения. Оба они используют защитный диод для защиты светодиода от обратного напряжения. На (a) этот защитный диод имеет тип обратного напряжения, соответствующий напряжению питания VCC, а на (b) обратное напряжение защитного диода должно быть примерно в два раза больше прямого напряжения инфракрасного светодиода.

В приведенной выше схеме используется постоянное R, соответствующее номинальному напряжению, в соответствии с напряжением питания VCC. Кроме того, R выбирается таким образом, чтобы он ограничивался номинальным значением прямого тока IF инфракрасного светодиода в точке, где напряжение питания VCC становится максимальным.

Рисунок 3-1.4 – Схема привода переменного тока

Импульсное вождение Когда оптический сигнал заменяется светом с импульсной модуляцией, можно получить много преимуществ. Считается следующее: Когда скважность сигнала с импульсной модуляцией мала, мгновенная светоотдача светоизлучающего устройства увеличивается, оптический сигнал отделяется от окружающего света и обеспечивается улучшение отношения сигнал / шум.Когда в качестве источника питания используется аккумулятор, можно снизить энергопотребление устройства и, следовательно, продлить срок службы аккумулятора. RC-соединение со следующей ступенью в секции приема света становится возможным, и можно избежать эффектов увеличения темнового тока в результате повышения температуры. Эта импульсная система управления разработана в сочетании с TTL или C-MOS и Tr и т. Д. В схеме, показанной на рис. 3-1.5, необходимо обратить внимание на электрические характеристики ИОЛ устройства TTL или C-MOS, поскольку слишком большие токи не могут быть применены для удовлетворения IF

Рисунок 3-1.5

Схемы применения базовой схемы фототранзисторов Принципиальная схема фототранзистора показана на рис. 3-2.1. Сопротивление нагрузки RL выбирается с учетом температурной характеристики темнового тока фототранзистора. Если RL слишком велик, фототранзистор можно включить только темновым током при высокой температуре. Например, когда фототранзистор TPS601A работает при Ta = 100 ° C, темновой ток может достигать около 100 мкА. Когда RL установлен на 50 кВт при VCC = 5 В, TPS601A полностью переключается во включенное состояние за счет увеличения темнового тока.

Рисунок 3-2.1 – Принципиальная схема фототранзистора

Цепь смещения фототранзистора с клеммой базы Влияние резистора RBE база-эмиттер на темновой ток, а также на световой ток показано на рис. 3-2.2 (a) и (b). Обычно темновой ток фототранзистора составляет всего несколько нА при нормальной температуре, и можно дополнительно уменьшить темновой ток, вставив резистор RBE между базой и эмиттером для обхода тока утечки через коллектор в точку перехода базы.Если ОБЭ делается чрезмерно малым, кажущееся hFE фототранзистора уменьшается, и требуемый световой ток IL не может быть получен, следовательно, RBE более 1 МВт является подходящим.

Рисунок 3-2.2 (a) – Уменьшение темнового тока с помощью RBE / Рисунок 3-2.2 (b) – Изменение светового тока с помощью RBE

Кроме того, можно установить рабочую точку фототранзистора на должном уровне с помощью клеммы базы. Линейность токовых характеристик освещения-света в этом случае была значительно улучшена по сравнению со случаем, когда ток смещения базы равен нулю.Кроме того, существует метод смещения стекающего типа, показанный на рис. 3-2.4, который экспериментально улучшает термическую стабильность в рабочей точке постоянного тока, 2 ~ 10 МВт считается подходящим для значения RB. Это необходимо для того, чтобы приложить почти весь световой ток IL фотодиода в точках коллекторного и базового перехода к базе фототранзистора за счет увеличения импеданса на базе.

Рисунок 3-2.4 (b) – Метод смещения типа Bleeder

Контур компенсации температуры Световой ток IL и темновой ток Id фототранзистора имеют положительный температурный коэффициент. В частности, темновой ток увеличивается экспоненциально, как показано в отдельных технических паспортах. Следовательно, для получения стабильной работы при температуре окружающей среды 50 ~ 60 ° C становится необходимой температурная компенсация темнового тока и фотоэлектрического тока фототранзистора. В схеме, показанной на рис. 3-2.5, используется отрицательный температурный коэффициент, сохраняемый прямым напряжением VF диода. Когда используется фототранзистор без базового вывода, способ компенсации выходного напряжения заключается в уменьшении сопротивления нагрузки фототранзистора с помощью термистора, как показано на рис.3-2.6.

Рисунок 3-2.5 – Схема температурной компенсации с использованием резистивного диода

Рисунок 3-2.6 – Схема температурной компенсации с использованием термистора

Базовая схема усилителя На рис. 3-2.7 (a) показано соединение Дарлингтона с использованием транзистора NPN, а на рис. 3-2.7 (b) показано соединение Дарлингтона с использованием транзистора PNP. В обеих схемах световой ток увеличивается в hFE раз, а выходной ток IC становится hFE. Иллинойс

Рисунок 3-2.7 – Схема усилителя для фототранзистора

На рис. 3-2.8 показаны примеры основных схем, использующих усиление операционным усилителем.

Рисунок 3-2.8 – Схема усилителя с рабочим термистором

Повышение скорости переключения Когда усиление напряжения увеличивается за счет увеличения импеданса нагрузки, поскольку световой ток фототранзистора невелик, характеристика скорости переключения может быть принесена в жертву обратному эффекту. В качестве решения проблемы существуют методы получения характеристик скорости переключения, которые относительно не зависят от размера нагрузки, путем преобразования импеданса через схемы на основе транзисторов PNP (рис.3-2.9 (a)) или каскадное соединение NPN-транзистора (рис. 3-2.9 (b)). Методы испытаний применимы к высокоскоростной схеме обнаружения света с импульсной модуляцией для фотоэлектрического переключателя / высокоскоростного считывающего устройства.

Рисунок 3-2.9 – Примеры улучшения частотных характеристик

Использование аналога Фототранзисторы обеспечивают более высокую чувствительность, чем фотодиоды, поскольку они имеют внутреннюю функцию усиления; однако чувствительность значительно колеблется в зависимости от разницы в коэффициентах усиления.Следовательно, необходимо либо использовать переменный резистор для корректировки чувствительности, либо приобрести продукт, который предварительно выбран для определенного рейтинга чувствительности.

Рисунок 3-2.14

На рис. 3-2.14 (а) показана схема управления током транзисторного усилителя. Коллекторный ток фототранзистора управляет базой транзистора следующего каскада, эмиттер которого заземлен. Колебания чувствительности фототранзистора контролируются резистором обратной связи RE в цепи эмиттера.На рис. 3-2.14 (b) показана схема, управляющая напряжением транзисторного усилителя. Коллекторный ток фототранзистора генерирует напряжение для управления транзистором последней ступени с помощью переменного резистора. Транзистор является повторителем, и колебания между отдельными фототранзисторами корректируются переменным резистором RA. Следовательно, время переключения фототранзистора изменяется на RA. Схемы применения фотодиодов В сочетании с инфракрасными светодиодами фотодиоды используются двумя способами; в цифровом виде для определения наличия света и аналоговом для определения количества света. Использование цифровых технологий Поскольку скорость отклика высока, фотодиоды подходят для высокоскоростного переключения. С другой стороны, однако, поскольку световой ток невелик, необходимо использовать полевой транзистор с высоким входным сопротивлением, как показано на рис. 3-3.1 (a), или схему с высоким усилением, как показано на рис. 3-3.1 ( б). Для увеличения усиления используется операционный усилитель. Когда требуется высокая скорость отклика, необходимо выбрать усилитель для соответствующих высокоскоростных приложений.

Рисунок 3-3.1 – Схема усилителя фородиода (цифровое использование)

Использование аналога Характеристики освещенности и фотоэлектрического тока фотодиодов более близки к линейным, чем характеристики фототранзисторов, и можно сказать, что фотодиоды являются продуктом, который легко использовать в аналоговых приложениях. Для этого типа использования есть линейное усиление и логарифмическое усиление.

Рисунок 3-3.2 – Цепи усилителя фотодиода (аналоговое использование)

Схемы применения фотодатчиков отражательного типа Фотодатчики отражательного типа доступны в двух типах; тип фокуса и тип без фокуса.Подходящий тип следует выбирать в зависимости от приложения. Как видно из соответствующих основных характеристик положения обнаружения, показанных на фиг. 3-5.1 и 3-5.2, характеристика определения положения черно-белой граничной поверхности для типа фокуса более резкая, чем у типа без фокуса. Таким образом, тип фокуса превосходит тип фокуса для приложений обнаружения штрих-кода. Однако небольшой тип без фокусировки эффективен для обнаружения объектов.

Рисунок 3-5.1 – Пример характеристики положения обнаружения нефокусного типа

Рисунок 3-5 – Базовая схема обнаружения фотодатчика отражательного типа

Поскольку для фотодатчика отражательного типа необходимо выводить цифровой сигнал о существовании обнаруженного объекта, к следующему выходному каскаду фотодатчика отражательного типа подключается схема компаратора, как показано на рис. 3.5-4.

Рисунок 3-5.4 Схема подключения фотодатчика отражательного типа с компаратором

Применение фотодатчика отражательного типа сложнее, чем фотодатчика трансмиссионного типа, потому что:
  • Коэффициенты отражения отражающих веществ отличаются друг от друга
  • Легко регулируемые расстояния до отражающих веществ
  • И светоизлучающие, и светоизлучающие поверхности находятся в одной плоскости и чувствительны к воздействию внешнего света, и ток утечки увеличивается.
  • Следовательно, можно сказать, что лучше сконструировать фотодатчик трансмиссионного типа, если это возможно.

Постройте схемы датчика освещенности

Фототранзисторы – это распространенный тип аналоговых датчиков освещенности, которые могут помочь автоматическому включению света на крыльце в ночное время. Думайте о фототранзисторе как о регулируемом светом токовом клапане. Когда свет падает на основание устройства (B), больший ток проходит в его коллекторный вывод (C) и выходит из его эмиттерного вывода (E).

Теперь пора построить и протестировать две схемы фототранзистора, чтобы дать вашему фототранзистору ActivityBot «глаза». Оставьте схему пьезо-динамика на месте.

  • (2) Фототранзистор (№ 350-00029)
  • (2) Конденсатор 0,01 мкФ (с маркировкой 103)
  • (2) резистор 220 Ом (красно-красно-коричневый)

Соберите схемы светового датчика, показанные ниже.

  • Убедитесь, что более короткие выводы и плоские точки фототранзистора подключены к земле, как показано на схеме подключения ниже.
  • Используйте конденсаторы 0,01 мкФ с маркировкой «103». Конденсаторы в вашем комплекте ActivityBot не полярны; не имеет значения, в какую сторону вы их подключаете.
  • Направьте фототранзисторы вверх и наружу, примерно на 90 ° друг от друга и примерно на 45 ° от вертикали.

Резисторы

* P14 / P15 необходимы только для комплектов ActivityBot, использующих внешние энкодеры (# 32500).

Этот тест отобразит необработанные показания датчика освещенности в окне Терминала. Вам понадобится фонарик или лампа ярче, чем общий уровень освещенности в комнате.

Цепи фототранзисторов предназначены для работы в помещениях с люминесцентными лампами или лампами накаливания. Избегайте попадания прямых солнечных лучей и прямых галогенных ламп; они заливают фототранзисторы слишком большим количеством инфракрасного света.

  • В зоне робототехники закройте жалюзи на окнах, чтобы блокировать прямой солнечный свет, и направьте галогенные лампы вверх, чтобы свет отражался от потолка.
  • Войдите в свою учетную запись BlocklyProp и создайте новый проект.

  • Создайте проект Test ActivityBot Light Sensors, см. Выше.
  • Установите выключатель питания Activity Board в положение 1.
  • Нажмите кнопку «Выполнить один раз».
  • Держите руку над одним фототранзистором, а затем над другим, наблюдая за изменением значений в Терминале.

Значения, показанные выше, были получены в комнате с верхним люминесцентным освещением. Обратите внимание, как закрытие левого фототранзистора приводит к увеличению размера lightLeft.

Несогласованные измерения
Маловероятно, что ваши два измерения фототранзистора будут точно совпадать. Каждый датчик будет немного отличаться как естественная часть производственного процесса, а уровни яркости редко бывают точными в любых условиях. Однако, если один дает результат примерно в 100 раз больше, чем другой, при освещении того же уровня света, этот фототранзистор, вероятно, подключен в обратном направлении. В этом случае проверьте свою схему и попробуйте еще раз.

Взгляните на электрическую схему P9. Подумайте о конденсаторе 0,01 мкФ в цепи как о крошечной батарее, а о фототранзисторе – как о токовом клапане, управляемом светом.

Первый блок в цикле бесконечного повторения – это сделать PIN 9 высоким. Этот блок подает ток на конденсаторную батарею, для зарядки которой требуется пауза в 1 (мс). Сразу после этого PIN 9 разряда RC блока меняет вывод P9 ввода / вывода с высокого уровня на вход. В качестве входа P9 переключится с определения высокого сигнала на низкий сигнал, поскольку конденсаторная батарея истощает свой ток через клапан фототранзистора.Propeller измеряет, сколько времени требуется для этого логического перехода, и блок RC сохраняет это время разряда в переменном блоке lightLeft.

Следующие три блока в цикле повторения навсегда проходят тот же процесс со схемой фототранзистора P5 и сохраняют другое измерение времени разряда в переменной lightRight.

Когда на фототранзистор попадает яркий свет, его клапан широко открыт, и ток проходит через него очень быстро, поэтому измеренное время разряда мало.Когда фототранзистор закрыт, его клапан открывается только немного, и ток будет течь медленнее, что приведет к более высокому значению времени разряда. Остальные блоки в цикле отображают время разряда обеих переменных в Терминале. Снимок экрана терминала выше был сделан, когда левый фототранзистор был закрыт, поэтому значение lightLeft больше, чем значение lightRight.


QT – это сокращение от Charge Transfer: В этом упражнении каждый фоторезистор используется в цепи переноса заряда, или QT.Эта схема позволяет роботу воспринимать гораздо более широкий диапазон уровней освещенности, чем схема аналого-цифрового преобразования, которую вы обычно можете увидеть с этим датчиком. Эта схема QT представляет собой простой вариант использования различных аналоговых датчиков с цифровым выводом ввода / вывода.

Видимый и невидимый свет: Свет распространяется волнами настолько малыми, что расстояние между соседними пиками измеряется в нанометрах, (нм), что составляет миллиардные доли метра. На рисунке ниже показаны длины волн знакомых нам цветов света, а также некоторые из них, которые человеческий глаз не может обнаружить, например ультрафиолетовый и инфракрасный.Фототранзистор в вашем комплекте ActivityBot обнаруживает видимый свет, но наиболее чувствителен к длинам волн 850 нм, которые находятся в инфракрасном диапазоне.


Ради интереса, давайте посмотрим, может ли фототранзистор определять разные цвета.

  • Увеличьте масштаб цветного графика длин волн выше.
  • Поднесите робота к экрану, поместив один фототранзистор очень близко к цветной полосе.
  • Какой цвет дает самые высокие показания? Какие цвета дают самые низкие?

По вашему мнению, как вы думаете, можно ли использовать один прозрачный фототранзистор, такой как этот, в качестве датчика цвета? Почему или почему нет?

Фотоэлемент

– обзор | Темы ScienceDirect

14.2 Теоретическая эффективность

В этом разделе мы выводим теоретическую эффективность фотоэлементов без прямой ссылки на точный механизм их реализации, за исключением того, что мы предполагаем, что все ячейки должны выполнять функции генерации носителей и разделения носителей. Эти функции могут выполняться как в одной и той же области клетки, так и в отдельных.

При общем обсуждении эффективности фотоэлементов в этом разделе мы предполагаем, что функция разделения носителей выполняется без каких-либо потерь и что одна электронно-дырочная пара создается для каждого падающего фотона с энергией hf ≥ Wg . 7

Мы назовем Wg шириной запрещенной зоны , хотя в некоторых ячейках требуемая энергия не связана с подъемом электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Мы также предполагаем, что материал прозрачен для фотонов с энергией менее Wg . Эти фотоны не взаимодействуют с фоточувствительным материалом и, следовательно, не имеют фотоэлектрического эффекта. Наконец, мы предполагаем, что все фотоны с энергией выше запрещенной зоны вносят в нагрузку количество электроэнергии, точно равное Wg .Избыточная энергия hf-Wg просто преобразуется в тепло и представляет собой потерю.

Подходящий материал – обычно полупроводник – будет прозрачным или непрозрачным для фотона в зависимости от его частоты. Точная граница между прозрачностью и непрозрачностью зависит от типа рассматриваемого материала. Таблица 14.2 отображает данные для некоторых полупроводников. Алмазы – форма углерода, которая кристаллизуется так же, как кремний и германий, обладая высокой устойчивостью к нагреванию и излучению, являются многообещающим материалом для транзисторов, которые должны работать в агрессивных средах.

Таблица 14.2. Пределы поглощения света для некоторых полупроводников

9030 162
Материал ν0 (ТГц) λ (нм) Wg (эВ) Область, в которой происходит переход
непрозрачный непрозрачный
встречается
α-Sn 19,3 15, 500 0,08 Дальнее инфракрасное излучение
Ge7 Инфракрасный
Si 265 1130 1,10 Инфракрасный
GaAs 326 920 920 1,35 2,24 Видимый
C 1300 230 5,40 Ультрафиолет

В упрощенном виде обсуждается механизм, который приводит к созданию энергетических диапазонов в твердых телах. Раздел 14.11.1.1 «Зонная структура в неорганических полупроводниках».

Структура, которая под воздействием света генерирует электрическую энергию, представляет собой фотоэлектрический элемент или просто фотоэлемент . Фотоэлементы из массивных полупроводников именуются фотодиодами .

Фотоэлектрические (PV) элементы, подвергающиеся воздействию монохроматического света, теоретически могут достигать 100% эффективности преобразования излучения в электрическую энергию. В большинстве случаев фотоэлементы подвергаются широкополосному излучению, то есть потоку фотонов разной энергии.В таких условиях эффективность ограничивается двумя механизмами, описанными на предыдущей странице:

1.

Более слабые фотоны (с частотой ниже заданной) не могут взаимодействовать с материалом.

2.

Более энергичные фотоны доставляют нагрузке только часть энергии, остальная термализуется.

Во всех случаях, рассматриваем ли мы идеальные или практические устройства, их эффективность определяется как отношение мощности PL, подаваемой на нагрузку, к мощности Pin падающего излучения

(14.1) η≡PLPin.

Характеристики широкополосного излучения можно описать, указав плотность мощности ΔP излучения в заданном интервале частот Δf, как это было сделано для солнечного излучения в таблице 12.1 (глава 12). В качестве альтернативы, доведя до предела отношение ΔP / Δf, можно написать уравнение, выражающее зависимость ∂P / ∂f от f. Таким образом, полная падающая плотность мощности равна

(14.2) Pin = ∫0∞∂P∂fdf.

В случае черного тела ∂P / ∂f определяется уравнением Планка ,

(14.3) ∂P∂f = Af3ehfkT-1

, где A – постоянная, имеющая единицы измерения Вт · м-2Гц-4. Следовательно,

(14.4) Pin = A∫0∞f3ehfkT-1df.

Пусть x≡hfkT, тогда

(14.5) df = kThdxandf3 = kTh4x3.

(14.6) Pin = AkTh5∫0∞x3ex-1dx

Определенный интеграл ∫0∞x3ex-1dx имеет значение π4 / 15, поэтому

(14.7) Pin = AkTh5π415 = aT4,

где a ( Вт м-2К-4) также является постоянной величиной.

Когда температура радиатора черного тела увеличивается, увеличивается не только общая мощность P (уравнение.14.7), но, кроме того, пиковое излучение смещено в сторону более высоких частот, как это видно из рисунка 14.3. Между частотой fpeak и температурой существует простая зависимость T.

Рисунок 14.3. Пик кривой p vs f для черного тела смещается в сторону более высоких частот при повышении температуры.

Пропорциональность между плотностью мощности света и четвертой степенью температуры связана с законом Стефана-Больцмана .

Из уравнения.14.3 мы видим, что форма кривой распределения определяется коэффициентом f3ehfkT-1. Пик возникает, когда

(14,8) ddff3ehfkT-1 = 0.

Сделав замену x≡hfkT и взяв производную, получим

(14.9) (3-x) expx-3 = 0,

, численное решение которого равно x = 2.821. Из определения x,

(14.10) fpeak = khxT = 59.06 × 109T.

Для T = 6000K, fpeak = 354Thz.

Связь между fpeak и T – это закон смещения Вина .

Полезно связать полный поток фотонов ϕ, который при заданном спектральном распределении соответствует плотности мощности Pin. Рассмотрим небольшой частотный интервал Δf с центром на частоте f. Поскольку каждый фотон имеет энергию hf, плотность мощности излучения в этом интервале составляет

(14.11) ΔP = ΔϕhfW / m2,

где Δϕ – поток фотонов (фотонов м-2с-1) в рассматриваемом интервале. В пределе, когда Δf → 0 (и деля обе части на df),

(14.12) dϕdf = 1hf∂P∂f,

и

(14,13) ϕ = 1h∫0∞1f∂P∂fdf.

Уточнение для случая черного тела и, еще раз, допущение x≡hf / kT,

(14.14) ϕ = Ah∫0∞1ff3ehfkT-1df = Ah∫0∞f2ehfkT-1df,

(14.15) ϕ = AhkTh4∫0∞x2ex-1dx = 2,404AhkTh4.

, потому что в данном случае определенный интеграл имеет значение 2,404.

Еще для излучения черного тела мы можем найти отношение плотности мощности света к соответствующему потоку фотонов. Из уравнений. 14.7 и 14.15,

(14.16) Pϕ = AkTh5π4152,404AhkTh4 = 37,28 × 10-24T.

Следует отметить, что приведенная выше формула действительна только в том случае, если рассматривается полный спектр. Для усеченного спектра, в котором есть некоторые области, удаленные фильтром, необходимо отдельно рассчитать полную плотность мощности P и полный поток фотонов ϕ и сформировать соотношение.

Неудивительно, что отношение полной мощности к общему потоку фотонов увеличивается пропорционально температуре, потому что, как мы видели при выводе закона смещения Вина, чем выше температура, тем больше энергии имеет средний фотон.

Пример 14.1

Каков поток фотонов, когда свет, излучаемый черным телом 6000 К, имеет плотность мощности 1000 Вт / м2? Из уравнения. 14,16,

(14,17) Phi = P37.28 × 10-24T = 100037,28 × 10-24 × 60004,47 × 1021м-2с-1.

Для идеального случая КПД устройства конечно же

(14,18) ηideal = PLidealPin.

Теперь нам нужно знать PLideal.

Если широкополосное излучение попадает на полупроводник с шириной запрещенной зоны, Wg = hfg, фотоны с частотой f

(14.19) GL = 1P∫0fg∂P∂fdf,

от полной плотности мощности излучения Pin будет потеряна.

Пусть ϕg – полный поток фотонов с f> fg. Каждый фотон создает одну электронно-дырочную пару с энергией hf. Однако, как указано, энергия, превышающая Wg, будет рандомизирована и будет отображаться в виде тепла, и каждый фотон вносит в электрическую мощность только Wg джоулей. Полезная электрическая энергия (энергия PL, переданная нагрузке) составит,

(14.20) PL = ϕgWgW / m2.

Поток фотонов с энергией больше hfg равен (адаптируя уравнение

(14.21) ϕg = 1h∫fg∞1f∂P∂fdf.

Полезная мощность

(14.22) PL = hfgϕg = fg∫fg ∞1f∂P∂fdf,

, а эффективность –

(14.23) ηideal = PLPin = fg∫fg∞1f∂P∂fdf∫0∞∂P∂fdf.

Обратите внимание, что ηideal зависит только от спектрального распределения и на Wg полупроводника. Он полностью игнорирует способ работы устройства. В отличие от эффективности реальных фотоэлементов, ηideal не зависит от уровня освещенности.Опять же, для черного тела

(14,24) ϕg = Ah∫fg∞f2ehfkT-1df = AhkTh4∫X∞x2ex-1dx,

, где X = hfg / kT = qVg / kT.

Должно быть очевидно, что отношение σ≡ϕg / ϕ зависит только от природы рассматриваемого излучения, а не от его интенсивности. Отношение равно

(14,25) σ≡ϕgϕ = ∫X∞x2ex-1dx∫0∞x2ex-1dx = ∫X∞x2ex-1dx2.404 = 0,416∫X∞x2ex-1dx

Для излучения черного тела 6000 K , отношение является фиксированным 0,558, если Wg = 1,1 эВ, ширина запрещенной зоны кремния. Тогда идеальный КПД фотодиода составляет

(14.26) ηideal = 15π4hk4fgT4∫fg∞f2ehfkT-1df.

Удобнее работать с напряжением запрещенной зоны Vg вместо соответствующей частоты fg = qhVg,

(14.27) ηideal = 15π4hk4qhVgT4∫qVgh∞f2ehfkT-1df.

Пусть x≡hfkT как и раньше,

(14.28) ηideal = 15π4hk4qhkTh4VgT4∫qVgkT∞x2ex-1dx = 15π4qkVgT∫qVgkT∞x2ex-1dx = 1780VgT∫x2.

Нижний предел интеграла – это значение x, соответствующее fg.

Аналитического решения предыдущего интеграла не существует, но его можно решить численно или по таблице в Приложении А к этой главе можно определить значение определенного интеграла (который, конечно, является простым числом, функция нижней границы интеграла).

Пример 14.2

Каков поток фотонов с большей энергией, чем у кремниевой запрещенной зоны (1,1 эВ, т. Е. Vg = 1,1 В), когда свет, излучаемый черным телом с температурой 6000 К, имеет плотность мощности 1000Вт / м2? Уравнение 14.25 дает нам отношение σ между ϕg и ϕ. Для конкретной комбинации этого примера (Vg = 1,1 В и T = 6000 K) отношение составляет 0,558, а из примера 14.2 ϕ = 4,47 × 1021 фотонов м-2с-1. Следовательно,

(14,29) ϕg = σϕ = 0,558 × 4,47 × 1021 = 2,49 × 1021 фотон · м-2 · с-1.

Пример 14.3

Какова идеальная эффективность фотоэлемента в условиях предыдущего примера? Используя уравнение. 14,28,

(14,30) ηideal = 17801,16000∫2,125∞x2ex-1dx.

Нижний предел интеграла: X = hfg / kT = qVg / kT = 2,125. Значение определенного интеграла составляет 1,341 (путем интерполяции в таблице в Приложении А к этой главе), следовательно,

(14,31) ηидеал = 17801,160001,341 = 0,438.

На рисунке 14.4 показано, как идеальная эффективность фотоэлемента зависит от энергии запрещенной зоны при воздействии на черное тело при температуре 6000 K (примерно при температуре солнца).Наши расчеты эффективности, основанные на формуле. 14.28, используйте очень простую модель, которая полностью игнорирует сам фотоэлемент, который считается 100% эффективным. Его результаты идентичны результатам с максимальной эффективностью компании Shockley and Queiser (SQ).

Рисунок 14.4. Зависимость эффективности фотодиода от его ширины запрещенной зоны. Черное тело при 5800 К.

Возможно, одним из первых расчетов теоретической эффективности как функции ширины запрещенной зоны является работа Принца (1955).Его модель рассматривает наилучший возможный кремниевый элемент, созданный с учетом ограничений тогдашней примитивной технологии. В частности, он предполагает значительно улучшенные значения времени жизни неосновных носителей. Хотя общая форма кривой зависимости КПД от ширины запрещенной зоны примерно такая же, как в формуле. 14.28, абсолютные значения расчетной эффективности намного ниже. Он устанавливает максимальный теоретический КПД на уровне 21,7% и продолжает объяснять, почему это значение недостижимо.

До 1961 г. не существовало четкого соглашения относительно того, какая запрещенная зона даст (теоретически) наибольшую эффективность при воздействии солнечного света.См. Лоферски. В 1961 году Шокли и Кайзер опубликовали много цитируемую статью, в которой устанавливали теоретические пределы эффективности солнечных элементов, действующих при определенных предположениях, некоторые из которых мы использовали в нашем выводе. Одно предположение, которое мы не сделали, заключалось в том, что фотоэлемент имеет p-n-переход, который подразумевает неприводимую излучательную рекомбинацию электронно-дырочных пар. По этой причине детализированная модель баланса SQ предсказывает несколько меньшую эффективность, чем модель максимальной эффективности на рис.14.4.

Поскольку спектр Солнца не совсем такой, как у черного тела, зависимость несколько отличается от того, что показано на рисунке. Кроме того, точное спектральное распределение солнечного света в космосе отличается от такового на земле из-за атмосферного поглощения.

Несмотря на все эти ограничения, может быть достигнута эффективность, превышающая эти эффективности спектра черного тела . Это достигается путем создания ситуаций, в которых один или оба механизма ограничения эффективности, описанные в начале этого раздела, обходятся.В следующих трех разделах обсуждаются три метода.

Печатная плата фотодатчика

Все датчики пределов настроены на нормально замкнутые * 2. Если логику датчика необходимо изменить, мы можем изменить ее для получения прибыли (мы можем изменить ее бесплатно при покупке). Об изменениях логики фотодатчиков см. Подробные страницы для каждого этапа и Приложение M-020.
Движение возврата в исходное положение, которое использует датчик исходного положения и датчик индекса, можно изменить на Движение возврата в исходное положение с датчиком области (базовая точка).Данная модификация недоступна для некоторых моделей.

* 2 «Нормально замкнутый» означает логику, при которой клеммы электрически непрерывны в своем нормальном рабочем состоянии.


PM-L25 производится PanasonicDevice SUNX.

Выход датчика в приведенной выше таблице показывает выходы при экранировании от света. Обратите внимание, что некоторые из обнаружений положения (CW-LS, CCW-LS и исходное положение) становятся эффективными, когда они экранированы от света пластиной обнаружения, а другие становятся эффективными при получении света.

Технические характеристики фотодатчика Выдержка

EE-SX398
EE-SX498
EE-SX4134
EX-SX4320
Максимальное выходное напряжение V out 28 В 17V
Макс.выходной ток I out 16 мА 8 мА

Технические характеристики фотодатчика Выдержка

макс.
PM-L25
Максимальное выходное напряжение В вых 30 В
50 мА

PM-L25 производится Panasonic Device SUNX.

Надежный фотоэлектрический датчик RX I / O Схема и электрические схемы | Средства автоматизации | Промышленные устройства

Японский Английский Английский (Азиатско-Тихоокеанский регион) Китайский (упрощенный) Китайский (традиционный) Корейский

Снято с производства

30 сентября 2022 г.
Схема ввода-вывода

и электрические схемы

RX- □


RX4- □ (Продукция, снятая с производства)

Схемы входов / выходов
Излучатель датчика проходного типа

Символ ・ ・ ・ D: Диод защиты от обратной полярности питания

Схема подключения
Излучатель датчика проходного типа

* 1

Схемы входов / выходов
Приемник датчика сквозного типа

Примечание: Выход самодиагностики не имеет цепи защиты от короткого замыкания.Не подключайте его напрямую к источнику питания или емкостной нагрузке.
Обозначения ・ ・ ・ D 1 : Диод защиты от обратной полярности питания
D 2 , D 3 : Диод защиты от обратной полярности выхода
Z D1 , Z D2 : Стабилизатор поглощения перенапряжения
Tr 1 , Tr 1 , Tr 2 : Выходной транзистор NPN

Схема подключения
Приемник датчика проходного типа

Схемы входов / выходов
Датчики световозвращающего и диффузного типов

Примечание: Выход самодиагностики не имеет цепи защиты от короткого замыкания.Не подключайте его напрямую к источнику питания или емкостной нагрузке.
Обозначения ・ ・ ・ D 1 : Диод защиты от обратной полярности питания
D 2 , D 3 : Диод защиты от обратной полярности выхода
Z D1 , Z D2 : Стабилизатор поглощения перенапряжения
Tr 1 , Tr 1 , Tr 2 : Выходной транзистор NPN

Схема подключения
Датчики световозвращающего и диффузного типов

* 1

RX2- □ (Продукция, снятая с производства)

Схемы входов / выходов
Излучатель датчика проходного типа

Символ ・ ・ ・ D: Диод защиты от обратной полярности питания

Схемы подключения
Излучатель датчика проходного типа

Схемы входов / выходов
Приемник датчика сквозного луча, датчиков световозвращающего и диффузного отражения

Обозначения ・ ・ ・ D : Диод защиты от обратной полярности питания
Z D : Стабилитрон поглощения перенапряжения
Tr : Выходной транзистор PNP

Условия загрузки

1) Нагрузка не должна активироваться током утечки (1 мА; 0.8 мА для приемника датчика сквозного типа) в выключенном состоянии.
2) Нагрузка должна включаться (напряжение питания – 4 В) во включенном состоянии.
3) Ток во включенном состоянии должен составлять от 5 до 100 мА постоянного тока.
[Если ток меньше 5 мА, подключите спускное сопротивление параллельно нагрузке (показано пунктирной линией выше), чтобы протекал ток 5 мА или более.]

Электросхемы
Приемник датчика сквозного луча, датчиков световозвращающего и диффузного отражения

Вернуться к началу

Вернуться к началу

Фотодатчики: технологии и основные тенденции

Дневное освещение становится все более популярным, а использование дневного света, энергосберегающая стратегия управления освещением, которая фактически делает дневное освещение «устойчивым», начинает догонять.Особый интерес представляет тот факт, что сбор дневного света переходит от того, что поощряется энергетическими программами, к чему-то, что требуется по энергетическим кодексам и стандартам – не только Калифорнии Title 24, но и IECC 2009 и, вероятно, также ASHRAE 90-1.2010. На самом деле вполне вероятно, что в будущем в большинстве коммерческих зданий с окнами и мансардными окнами потребуется установить какой-либо тип контроля дневного света на прилегающей территории.

Зеленая конструкция подчеркивает естественный свет и привносит свежее внимание на уборку урожая при дневном свете.Энергетические нормы теперь начинают требовать уборку дневного света, что сделает его будущим основным продуктом строительства. Фото любезно предоставлено Левитоном.

Ценностное предложение

для сбора дневного света довольно простое: по мере увеличения дневного света в помещении уровни электрического освещения могут автоматически уменьшаться для поддержания заданного уровня освещенности и экономии энергии. Все автоматические системы управления дневным светом нуждаются в устройстве, которое может измерять уровни освещенности и сигнализировать контроллеру о приглушении или переключении света в ответ на влияние дневного света.Это устройство называется фотосенсором.

Фотодатчик – это небольшое устройство, которое может включать в себя светочувствительный фотоэлемент, входную оптику и электронную схему, используемую для преобразования сигнала фотоэлемента в выходной сигнал управления, все внутри корпуса и с монтажным оборудованием.

Фотодатчики могут устанавливаться на стенах, потолках и в составе осветительных приборов. Фото любезно предоставлено WattStopper.

Фотодатчики могут устанавливаться на стенах, потолках и даже в составе светильников.Датчики, интегрированные в приспособление, могут быть установлены как часть оригинального приспособления или позже установлены в полевых условиях путем присоединения к лампе с помощью зажима и прямого подключения к балласту. Видимый размер фотодатчика варьируется от мяча для гольфа до стандартного настенного выключателя.

По мере того, как возрастает важность сбора дневного света, фотосенсоры становятся все более совершенными. Но будьте осторожны с покупателем: не существует стандарта, определяющего, как должны работать фотосенсоры. При выборе фотосенсора следует задать следующие важные вопросы о данном продукте: Совместим ли он с данным контроллером? Какой метод управления использует система? Каков пространственный отклик сенсора? Какой диапазон уровней освещенности он может «видеть»? Насколько точен его сигнал? Это исправлено на фотопикселях? Как далеко он должен быть установлен от своего контроллера? Как вводится в эксплуатацию? Сколько зон он может поддерживать? Какие есть варианты конфигурации? Способен ли он надежно работать в заданной среде – жаре, холоду, влажности? Существуют ли требования к списку или соответствия, такие как UL или ROHS?

«Исследования показали важность использования стратегий сбора дневного света в коммерческих помещениях, особенно с растущим акцентом на архитектурный дизайн дневного света, но также продемонстрировали важность выбора правильного продукта для применения», – говорит Даниэль Тревино, LEED-AP, Менеджер по продукту Daylighting для WattStopper.«Это помогает максимизировать экономию энергии, избегая при этом жалоб пользователей».

«Использование подходящего фотодатчика для конкретного приложения – один из наиболее важных аспектов дизайна», – говорит Боб Фрешман, менеджер по маркетингу компании Leviton Lighting Management Systems. «Используемый датчик должен соответствовать размеру помещения и среде, в которой он расположен».

Алгоритм управления

Средства управления сбором дневного света могут быть системами с «разомкнутым» или «замкнутым» контуром.Каждый по-разному измеряет долю дневного света на поверхности задачи. Двойная петля сейчас становится потенциально важной технологией.

Системы с замкнутым контуром измеряют совокупный вклад в уровень освещенности как от дневного света, так и от системы электрического освещения. Поскольку фотосенсор измеряет светоотдачу системы электрического освещения, он «видит» результаты настройки контроллера и может выполнять дальнейшие настройки на основе этой обратной связи, создавая замкнутый контур.

С замкнутым контуром фотосенсор измеряет фактический уровень освещенности, поэтому его иногда считают более точным, чем разомкнутый контур. Замкнутый контур считается предпочтительным для некоторых приложений, где необходимо поддерживать определенный целевой уровень освещенности, например, в небольших офисах.Но управление ограничено одной зоной, и система должна быть правильно настроена так, чтобы уровень переходного освещения изменялся (например, перетасованные белые листы бумаги на темном столе и обратно). не вызывают слишком частого затемнения или переключения.

Датчики замкнутого контура «видят» результаты своей настройки, создавая замкнутый контур. Как таковые, они обычно устанавливаются на потолке или как часть осветительной арматуры с прямым обзором рабочей зоны и без прямого обзора солнечного света или контролируемых источников света.Графика любезно предоставлена ​​Калифорнийским центром светотехники.

Системы с разомкнутым контуром измеряют только поступающий дневной свет, а не долю электрического освещения. Фотодатчик не должен видеть никакого электрического света, поэтому он устанавливается снаружи здания или внутри рядом с проемом дневного света, обращенным в сторону от регулируемого освещения. Поскольку обратной связи нет, это разомкнутый цикл.

В разомкнутом контуре датчик не подвержен влиянию переходных изменений уровня освещенности, но он не измеряет фактический уровень освещенности.Это означает, что датчик, размещенный за окном, не будет знать, что жалюзи закрыты, и в любом случае приглушит свет внутри. В результате разомкнутый контур часто предпочтительнее для приложений, где точность менее важна, таких как коридоры и предсердия.

Фотодатчики с разомкнутым контуром измеряют только входящий дневной свет и поэтому должны быть установлены внутри здания рядом с проемом дневного света, обращенным в сторону от регулируемого освещения, или снаружи здания. Графика любезно предоставлена ​​Калифорнийским центром светотехники.

Фотосенсор с двойным контуром – это интересная новая технология, сочетающая фотодиоды с разомкнутым и замкнутым контуром, смотрящие в разных направлениях. Предполагаемый результат – более высокая точность, чем при использовании только разомкнутого контура, и большая устойчивость к переходным изменениям уровня освещенности, чем при использовании только замкнутого контура.

Двухконтурный фотодетектор сочетает в себе технологии открытого и закрытого контура для повышения точности и смягчения воздействия переходных изменений уровня освещенности. Изображение предоставлено Калифорнийским центром световых технологий.

Пространственный отклик

Пространственный отклик фотосенсора, также называемый его угловой чувствительностью, описывает его чувствительность к свету с разных направлений и определяет его поле зрения – то, что он, по сути, «видит». Это определяется конструкцией оптической системы, которая собирает и доставляет свет.

«Пространственная характеристика складывается из двух факторов: угла, под которым обнаруженный свет падает на фотодиодный элемент внутри сенсора, и оптики и ограничений корпуса фотодатчика», – говорит Норм Диттманн, президент PLC-Multipoint.

Чувствительность фотодиода изменяется в зависимости от угла наклона – максимальная, когда он направлен прямо на источник света, и уменьшается, когда свет проходит через зону обнаружения датчика. Кроме того, кольца линзы Френеля не позволяют свету попадать в линзу за пределами ее угла восприятия. Куполообразный датчик будет смешивать различные источники света и сможет рассеивать дневной свет под малым углом, увеличивая угол, под которым датчик может измерять свет.

Чувствительность фотодатчика меняется в зависимости от угла наклона.Изображение предоставлено Калифорнийским центром световых технологий.

Если поле зрения слишком широкое, фотодатчик может обнаруживать свет там, где его не должно быть, например, обнаруживая прямой солнечный свет возле окна или за окном, и тем самым, возможно, затемняет свет ниже того, что предполагалось. Если поле зрения слишком узкое, фотосенсор может стать слишком чувствительным к изменениям яркости в пределах определенной области и неправильно поднимать или опускать свет.

«Чем уже пространственный отклик, тем точнее фотосенсор реагирует на яркость или яркость поверхности, на которую он направлен», – говорит Тревино.

По данным Института новых зданий, 60-градусный конус зрения является обычным явлением, но Тревино указывает на исследование, которое предлагает 100-градусное поле зрения для фотодатчиков с замкнутым контуром и 45-градусное поле зрения для разомкнутого контура. Некоторые датчики имеют регулируемую функцию, позволяющую блокировать прямой солнечный свет из поля зрения.

Уровень освещенности

Фотодатчик может быть ограничен в диапазоне уровней освещенности, который он способен обнаруживать. Управление освещением в сумерках и рассвете осуществляется при скорости менее 10 фут-кандел (fc), в офисах с дневным освещением – менее 100 фут-кандел, в атриумах – менее 1000 фут-кандел, а датчики светового люка видят до 10 000 фут-канделей солнечного света.

Ниже приведены несколько типичных диапазонов уровня освещенности, которые «видит» фотосенсор для некоторых приложений:

  • 1-500 FC для фотодатчика, установленного на потолке в пространстве с окнами;
  • 10-5000 FC для фотодатчика, установленного в атриуме или световом люке; и
  • 100–10 000 FC для фотодатчика, установленного вне здания.

«Дизайнеры освещения должны убедиться, что диапазон чувствительности фотодатчика соответствует уровням освещенности, которые могут быть обнаружены в зоне установки», – говорит Солаяппан Алагаппан, инженер-конструктор Philips.

Типичные диапазоны уровня освещенности, которые “видит” фотосенсор для некоторых приложений. Изображение предоставлено Левитоном.

Тип сигнала

Выходной сигнал фотодатчика на контроллер может иметь форму напряжения или тока. Как и в случае с большинством средств управления освещением коммерческих зданий, датчик с выходным напряжением работает хорошо, когда он находится в пределах 500 футов от контроллера. Датчик с токовым выходом может передавать сигнал на тысячи футов и обеспечивать лучшую невосприимчивость к электрическим помехам в более жестких энергетических условиях.Разрешение сигнала также имеет решающее значение. Это взаимосвязь между тем, что видит фотосенсор, и результирующим выходным сигналом. Основной вопрос здесь заключается в том, использует ли датчик линейный фотодиод или нелинейный фотопроводящий элемент.

«Фотопроводящие датчики используют нелинейные чувствительные элементы, с которыми связано гораздо больше ошибок», – говорит Диттманн. «Реакция на низкий уровень освещенности имеет резкую зависимость напряжения от наклона фут-свечи. Отклик становится менее чувствительным в среднем диапазоне, когда наклон напряжения / FC становится меньше.Наконец, по прошествии определенного момента чувствительность становится почти постоянной, в то время как сенсор не очень чувствителен. Эта кривая отклика не является одинаковым значением для каждого датчика, что затрудняет применение одних и тех же настроек к разным датчикам ».

Диттманн говорит, что наиболее важной тенденцией в области фотодатчиков за последние 3-5 лет была разработка фотодиодных датчиков, обеспечивающих линейный отклик на свет.

«Например, – указывает он, – например, комнатный датчик видит 0 FC и отправляет 0 В на выходе, а при 100 FC он отправляет 10 В на выходе, и это прямая линия между ними.Эта линейность означает, что датчики могут быть надежно откалиброваны, что очень важно для установки правильных уставок на контроллерах освещения ».

В фотопроводящих датчиках используются нелинейные чувствительные элементы, которые представляют больший риск ошибки. Фотодиодидные датчики обеспечивают линейный отклик на свет и, следовательно, большую точность. Изображение предоставлено PLC-Multipoint, Inc.

«Таким образом, доступны фотодатчики с различным диапазоном чувствительности – диапазонами освещенности – для оптимизации разрешения сигнала, минимизации уровней шума и предотвращения насыщения», – говорит Алагаппан.

Таблица 1. Краткие характеристики фотосенсора. Любезно предоставлено PLC-Multipoint.

Фотокоррекция

Спектральный отклик фотосенсора описывает его чувствительность к оптическому излучению с разными длинами волн. Фотодатчики могут реагировать на более широкий диапазон электромагнитного спектра, чем часть видимого света, которую может видеть человеческий глаз. Например, он может реагировать на ультрафиолетовое и инфракрасное излучение и тем самым без надобности приглушать свет, что может привести к жалобам пассажиров.По этой причине фильтры используются для максимально точного согласования «глаза» фотодатчика с человеческим глазом.

«Дневной свет по своей природе имеет инфракрасный, ультрафиолетовый и видимый свет, но человеческий глаз чувствителен только к видимому свету», – говорит Тревино. «Если цель состоит в том, чтобы управлять электрическим освещением в ответ на поступающий дневной свет таким образом, чтобы удовлетворить визуальные потребности человеческого глаза, тогда фотосенсор должен иметь тот же тип чувствительности, что и человеческий глаз».

Когда дневной свет и электрический источник света смешиваются в одном пространстве на разных уровнях, алгоритм управления фотосенсора должен автоматически подвергаться фотопической коррекции.Это можно сделать с помощью алгоритмов пропорционального управления с обратной связью и с обратной связью. Однако, когда дневной свет и два спектрально разных типа электрического освещения – например, флуоресцентное и лампа накаливания – смешиваются в одном пространстве, коррекция в настоящее время невозможна с помощью современных технологий.

«Проблема фотопической коррекции в том, что она становится очень ситуативной», – предупреждает Диттманн. «Первоначально в установке может быть установлен определенный тип лампы, например, холодная белая люминесцентная лампа.Система управления могла скорректировать этот цвет. Спустя годы лампы могут быть заменены на лампу более теплого цвета. Сдвиг в цветах не является незначительным и может привести к неправильному применению настроек управления ».

Типичные места установки фотодатчиков в зависимости от области применения. Графика любезно предоставлена ​​PLC-Multipoint, Inc.

Тенденции

«Мы видим, что три основные тенденции в разработке фотодатчиков лежат в следующих областях: беспроводная связь, интеграция осветительных приборов и самокалибрующийся продукт», – говорит Фрешман.«Мы рассматриваем беспроводную связь как ключевую область роста. Это идеальное решение для модернизации приложений с большой экономией средств за счет отсутствия прокладки новых проводов и более быстрой установки. Датчики, устанавливаемые на арматуре, также стали быстрорастущей категорией ».

«Идет эволюция в сторону интеграции элементов управления дневным освещением с другими типами управления освещением», – говорит Тревино. «Например, производители начинают разрабатывать интегрированные системы, которые объединяют датчики присутствия, релейные панели, элементы управления дневным освещением и даже интеграцию в осветительные приборы.Во-вторых, произошла эволюция в сторону самокалибровки / управления вводом в эксплуатацию. Некоторые производители представили устройства, которые автоматически калибруются для работы. Для запуска этой возможности может потребоваться небольшая корректировка, но этот процесс гораздо более автоматизирован, чем даже пять лет назад. Это значительно упрощает процесс настройки, который всегда был одним из самых больших препятствий на пути к успешному контролю дневного света ».

«Регулирование дневного света в сочетании с управлением жалюзи будет технологической тенденцией будущего», – говорит Алагаппан.«Мы также можем видеть камеры с низким разрешением, играющие роль фотодатчиков, разумно компенсирующих изменения в интерьере комнаты (коэффициент отражения поверхности). А индивидуальное управление освещением может стать тенденцией, при которой светильники в одной зоне имеют разные настройки дневного света, а один интеллектуальный фотосенсор управляет всеми приборами. Например, окно и арматура со стороны прохода в комнате могут получать сигналы различных уровней управления от фотодатчика ».

Выражаем особую благодарность следующим представителям членов ассоциации Lighting Controls Association за их ценный вклад в этот технический документ (перечислены в алфавитном порядке по компаниям):

Боб Фрешман, менеджер по маркетингу Leviton Lighting Management Systems
Солаяппан Алагаппан, инженер-конструктор Philips
Норм Диттманн, президент PLC-Multipoint
Даниэль Тревино, LEED-AP, менеджер по продуктам дневного освещения для WattStopper

Связанные

Схема датчика освещенности

с использованием LDR и микросхемы таймера 555 с регулируемой чувствительностью

В этом руководстве мы узнаем, как создать схему датчика освещенности, используя LDR (светозависимый резистор), микросхему таймера 555 и несколько других электронных компонентов.Эта схема обнаруживает свет, падающий на LDR, и включает светодиод, когда интенсивность света превышает определенный уровень.

Светодиод можно заменить любым электронным устройством, например, зуммером, реле. Двигатели постоянного тока и т. Д. Мы узнаем об этом позже в этом руководстве. Мы также узнаем, как работает эта схема, и узнаем о других интересных вещах, которые можно сделать с помощью этой схемы. Итак, приступим.

Видеоурок также включен в начало этой статьи для облегчения понимания.

Необходимые компоненты

  • 555 ИС таймера
  • Светозависимый резистор (LDR)
  • Резисторы: 2 x 10 кОм, 330R
  • Потенциометр 100 кОм
  • Светоизлучающий диод (светодиод)
  • Макетная плата
  • Макетная плата
  • Макетная плата 5-12) Источник питания В

Принципиальная схема

Инструкции по созданию этой схемы

Шаг 1. Поместите микросхему таймера 555 на макетную плату. Я разместил ИС таким образом, чтобы выемка оставалась слева.Таким образом, нумерация контактов начинается снизу слева (Ссылка: выводы таймера 555)

Шаг 2: Подключите контакт 8 ИС к положительной шине, а контакт 1 ИС к отрицательной шине. (Мы использовали отверстия в верхнем втором ряду как положительную направляющую, а отверстия в нижнем втором ряду как отрицательную направляющую)

Шаг 3: Соедините контакты 2 и 6 микросхемы IC

Шаг 4: Поместите контакты Резистор 10 кОм на макете таким образом, что один из его выводов подключен к выводу 2 микросхемы таймера 555. Подключите другой вывод резистора к отрицательной шине

. Шаг 5: Поместите резистор 10 кОм на макет так, чтобы один из его выводов был подключен к выводу 6 микросхемы таймера 555.Подключите другой вывод резистора к положительной шине

. Шаг 6. Теперь поместите LDR (светозависимый резистор) на макетную плату так, чтобы один из его выводов был подключен к выводу 4 микросхемы таймера 555. Подключите его другой вывод к положительной шине

. Шаг 7. Поместите резистор 4,7 кОм на макетную плату так, чтобы один из его выводов был подключен к выводу 4 микросхемы таймера 555

. его крайние клеммы подключены к другой клемме 4.Резистор 7 кОм

Шаг 9: Теперь подключите центральную клемму потенциометра 100 кОм к отрицательной шине

Шаг 10: Поместите светодиод на макетную плату и подключите его анод к контакту 3 микросхемы таймера 555. Подключите резистор 330R между катодом светодиода и отрицательной шиной. (Для источника питания 5/6 В используйте 220R; для 9 В используйте 330R; и для 12 В используйте 470R)

Шаг 11: Подключите источник питания, и схема готова!

Как работает эта схема

Перво-наперво: сопротивление LDR (светозависимого резистора) обратно пропорционально интенсивности падающего на него света.Это означает, что если интенсивность падающего света высока, сопротивление LDR будет меньше, и наоборот.

С другой стороны, микросхема таймера 555 активируется, когда на ее вывод сброса (вывод 4) поступает напряжение более 0,8 В. После активации ИС напряжение на контактах 2,6 должно быть между 1/3 и 2/3 напряжения питания, чтобы выход был включен. Например, если напряжение на контакте сброса выше 0,8 В, а напряжение на контактах-2,6 составляет половину напряжения питания, выход включается.

В схеме мы создали делитель напряжения с использованием LDR и резистора + потенциометра. Затем он подключается к выводу 4 (сброс) микросхемы таймера 555. Поэтому, когда темно, сопротивление LDR увеличивается, и поэтому напряжение на делителе напряжения падает ниже 0,8 В, в результате чего микросхема таймера 555 выключается. Когда света достаточно, напряжение на выводе сброса превышает 0,8 В, и ИС включается.

Два резистора 10 кОм используются для деления напряжения питания пополам и подачи его на контакты 2,6.Это гарантирует, что выход IC будет включаться всякий раз, когда он активирован.

Дальнейшие улучшения

Мы использовали эту схему только для включения светодиода. Но в реальных сценариях вы можете захотеть, чтобы эта схема включала приборы переменного тока или двигатели большой мощности и т. Д. Для этого вы можете напрямую добавить реле на выходе и подключать нагрузки переменного тока к реле.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.