Три схемы фотодатчиков на фоторезисторах
Различные схемы фотореле, опубликованные в радиолюбительской литературе, что называется на любой вкус и цвет. С трудом можно найти какое-нибудь свежее решение.
Фотореле на микросхеме КР1564ТЛ2
Предлагаемая схема (рис. 1), как нам представляется, оригинальна. В качестве фотодатчика служит распространенный фоторезистор СФЗ-1.
Рис.1. Принципиальная схема фотореле на фоторезисторе.
Он преобразует световой сигнал, улавливаемый чувствительной поверхностью, в электрические колебания, которые затем поступают на вход порогового детектора на одном элементе микросхемы D1.1 типа КР1564ТЛ2.
Эта микросхема состоит из шести однотипных элементов-логических инверторов с триггерами Шмитта. На втором элементе D1.2 реализована схема задержки времени включения нагрузки.
Чувствительность схемы (порог переключения триггера Шмитта) плавно регулируется переменным резистором R1, который совместно с фотодатчиком образует делитель постоянного напряжения.
Желательно применить многооборотистый прибор, типа СП5-1.
Когда темно-инвертирующий выход D1.1 (выв. 2) в состоянии высокого логического уровня (лог. 1) и конденсатор С2 быстро разряжается через резистор R4, благодаря диоду VD1. Когда освещение попадает на фоторезистор PR, — на выв. 2 элемента лог. 0.
Далее сигнал поступает на схему временной задержки. В результате зарядки конденсатора С2 через резистор R3 до напряжения порога срабатывания элемента D1.2 выдержка времени существенно может изменяться в зависимости от номиналов С2 и R3 от нескольких секунд до минут.
Зарядившись, конденсатор С2 перебрасывает триггер в другое устойчивое состояние, и на выходе D1.2 (выв. 4) оказывается высокий логический уровень (лог. 1). Транзистор VT1 открывается, на реле К1 поступает напряжение питания и реле коммутирует нагрузку. Диод VD2 препятствует броскам обратного тока при включении/выключении реле.
Схема очень проста и не требует настройки, кроме установки резистором R1 порога срабатывания триггера в зависимости от освещенности конкретного объекта.
Транзистор VT1 можно заменить на КТ312(А“В), КТбОЗ(А-Б), КТ608Б, КТ801(А, Б). К1 -маломощное реле РЭС15, паспорт (003), или аналогичное, на напряжение срабатывания сообразно напряжению питания схемы.
Питание схемы некритично и осуществляется от любого стабилизированного блока питания с выходным напряжением 9…14 В. Ток, потребляемый схемой от источника питания в пассивном режиме (фоторезистор не освещается), не превышает 2…3 мА. При включении реле, ток увеличивается до 20 мА.
Надежное фотореле на микросхеме К561А7
При управлении мощной нагрузкой или нагрузкой в сети 220 В необходимо применять другое реле, обеспечивающее надежность и безопасность работы устройства.
На рис. 2. показана аналогичная схема чувствительного фотоавтомата с применением логических элементов микросхемы КМОП К561А7. Устройство имеет отличительную особенность -при затемненности фоторезистора PR реле К1 включено. Подразумевается, что своими контактами реле коммутирует исполнительную цепь нагрузки.
При резком освещении фоторезистора (например, включении света в помещении) триггер Шмитта на логических элементах D1.1-D1.3 переключается, реле К1 отпускает и нагрузка обесточивается.
А вот при плавном увеличении освещенности, таком как рассвет устройство включает нагрузку также резко -при достижении сигнала на входе триггера порогового уровня переключения триггера Шмитта. Усилитеь на транзисторе VT1 преобразует изменение сопротивления фоторезистора PR (СФЗ-1) в электрический ток.
Рис. 2. Схема надежного фотореле на микросхеме К561А7.
Когда чувствительная поверхность фоторезистора освещена -транзистор ѴТ1 открыт и сигнал высокого уровня через развязку на диодах VD1, VD2 поступает на вход независимых инверторов.
Цепь R4C1R5 обеспечивает задержку в 2,5-3 мин, из-за чего сигнал высокого уровня, проходящий свободно через диод VD2, поступает на вход элемента D1.2 только после того, как зарядится через резистор R4 конденсатор С1, обеспечивающий временнную составляющую задержки.
После этого на выв. 8 элемента D1.3 будет лог. 1 и на его выв. 9 — тот же уровень. Соответственно на выходе этого инвертора (выв. 10) окажется низкий логический уровень, а на выходе элемента D1.4 — высокий логический уровень.
В результате открывается ключевой транзистор ѴТ2 и включается реле. Благодаря задержке включения устройство может испоьзо-ваться с любым типом реле — дребезг контактов отсутствует.
Применение этой схемы эффективно в ситуациях с плавным изменением освещенности объекта. Переменный резистор R1 регулирует чувствительность фотодатчика.
Фотореле с бестрансформаторным питанием
Схема на рис. 3отличается бестрансформаторным сетевым питанием и тиристорным управлением активной нагрузки. В основе ве — транзисторный переключатель с бестрансформаторным питанием от сети 220 В, включающий лампу освещения HL1.
Рис. 3. Схема фотореле с бестрансформаторным питанием.
Мощность лампы имеет ограничение в 100 Вт, что обусловлено параметрами мощности тиристора VS1, управляющего лампой.
Такая мощность лампы достаточна для освещения любого предмета, находящегося на антресоли.
На лампу HL1 выпрямленное напряжение поступает с выпрямителя, включенного по мостовой схеме на диодах VD4-VD7. Вместо указанных на схеме диодов можно использовать готовый выпрямительный мост, рассчитанный на обратное напряжение не менее 300 В, например КЦ405А.
Тиристор включается триггером Шмитта, состоящим из составных транзисторов ѴТ1, ѴТ2 и транзистора ѴТЗ. С наступением сумерек под влиянием изменяющегося сопротивления фоторезисторов PR1, PR2 (они включены параллельно для лучшей чувствительности) потенцил базы транзисторов ѴТ1, ѴТ2 возрастает и они открываются.
Колекторное напряжение транзистора ѴТ2 в это время уменьшается, вследствие чего транзистор ѴТЗ оказывается закрытым. Коллекторное напряжение транзистора ѴТЗ через диод VD1 открывает тиристор VS1, который включает лампу HL1.
Кремниевый диод VD2 в эмиттерной цепи транзистора ѴТЗ служит для уменьшения гистерезиса (разницы пороговых уровней переключения) триггера Шмитта.
Благодаря этому порог переключения мал, т. е. лампа не мерцает и не мигает в переходный момент освещенности фотоэлементов.
При освещении фоторезисторов триггер Шмитта переключается, изменяя свое первоначальное состояние. Тиристор закрывается, прекращая подачу питания на лампу HL1. Триггер Шмитта и часть схемы с чувствительным фоторезистором питаются стабилизированным напряжением +10…+14 В.
Этот параметр зависит от номинала стабилитрона VD3. Уровень чувствительности узла (срабатывания фотопереключателя) регулируется изменением сопротивления переменного резистора R8.
При размещении фотоэлемента в корпусе устройства необходимо следить за тем, чтобы свет зажженной лампы не попадал на светочувствительную поверхность фоторезисторов, так как в таком случае из-за оптической связи лампа HL1 будет постоянно включаться и выключаться (мигать) в зависимости от параметров (постоянной времени) фоторезисторов.
Собранная без ошибок с исправными радиодеталями схема не нуждается в настройке и начинает работать сразу.
Все резисторы, кроме R1, — типа МЛТ-0,25, МЛТ-0,5, а резистор R1 мощностью рассеивания 2 Вт.
Фоторезисторы СФЗ-1 могут быть заменены на другие приборы, сопротивление которых при полной темноте составляет не менее 1МОм, а при освещенности падает до 50 кОм и меньше.
Фоторезисторы можно монтировать как в корпусе основного устройства (авторский вариант), так и с подключением через разъем, — на расстоянии. Главное — провода соединения фотоэлементов со схемой не должны быть длиннее 1 м.
Это условие необходимо выполнить для уменьшения влияния посторонних наводок, провоцирующих узел на ложные срабатывания. В качестве лампы HL1 можно использовать любую активную нагрузку мощностью до 100 Вт.
Литература: А. П. Кашкаров, А. Л. Бутов — Радиолюбителям схемы, Москва 2008.
Фотореле своими руками: схемы, устройство и применение
30.03.2015 / Фотореле
Технический прогресс делает жизнь людей все более комфортной. Для этого изобретаются новые устройства, которые выполняют действия без присутствия и участия людей.
Одним из таких устройств является простое фотореле. Такое устройство можно купить в магазине, но интересней и экономней его сделать своими руками.
Где можно применять прибор с авторегулировкой света?
Фотореле может быть использовано для включения или выключения света в разное время суток. Например, при наступлении темноты прибор включает освещение, а на рассвете — отключает. Также оно может быть использовано в подъезде многоквартирного дома или на своем загородном участке.
Известно широкое применение светодиодного светильника с фотореле, которое в автономном режиме включает и выключает освещение. Такой прибор может быть использован в «умном доме». При этом с помощью фотореле можно не только управлять освещением, но и открывать жалюзи zhaluse.ru или проветривать комнату. Надо отметить и возможность установки этого устройства для системы охраны дома.
Разбираемся в схеме простого фотореле своими руками
Простейшая схема фотореле состоит из двух транзисторов, фоторезистора, реле, диода и переменного резистора.
В качестве транзисторов используются приборы типа КТ315Б, включенные по схеме составного транзистора, с нагрузкой которого является обмотка реле. Такая схема имеет большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление, что позволяет включать в нее фоторезистор с большим сопротивлением.
При увеличении освещенности фоторезистора, включенного между коллектором и базой первого транзистора, происходит открывание этого транзистора и транзистора №2. В результате появления тока в коллекторной цепи второго транзистора произойдет срабатывание реле, которое своими контактами, в зависимости от его настройки, включит или выключит нагрузку.
Для защиты схемы от воздействия ЭДС самоиндукции при выключении реле включен защитный диод типа КД522. Для настройки чувствительности схемы между базой и эмиттером первого транзистора включается переменный транзистор номиналом в 10 кОм.
[blockquote_gray]Кроме установки в жилых и подсобных помещениях, проходных площадок используют фотореле для уличного освещения.
Схема подключения при этом зависит от количества выводов к системе света.
Автоматы устанавливают в электрощите для зашиты электрической сети от перегрузки и замыкании — в этом и состоит принцип работы автоматических выключателей.[/blockquote_gray]
Питание такого фотореле может осуществляться от источника постоянного напряжения в 5 — 15 В. При этом, при напряжении источника в 6 вольт используются реле типа РЭС 9 или РЭС 47, а при напряжении питания в 12 В используются реле РЭС 15 или РЭС 49.
Для монтажа схемы можно создать специальную плату, при возможности – печатную. Затем укрепить на плате реле, транзисторы, переменный резистор, сделать отверстия для выводов элементов схемы и произвести соответствующие соединения с помощью монтажных проводов и паяльника.
[attention type=red]Настройку схемы можно производить в затененной комнате с использованием лампы накаливания, у которой можно регулировать поток света. [/attention]При необходимой освещенности подбирается порог срабатывания схемы с помощью переменного резистора.
Если в дальнейшем не планируется подстройка порога срабатывания, то вместо переменного устанавливается постоянный резистор, сопротивление которого соответствует величине, полученной при регулировке.
Способ сборки на современном приборе
При использовании более сложных электронных приборов можно собрать самодельное фотореле, в которое входит всего три компонента. Такую схему можно собрать на интегрированном полупроводниковом приборе компании TeccorElectronics Q6004LT (квадрак), который представляет собой симистор с встроенным динистором. Такой прибор имеет рабочий ток в 4 А и рабочее напряжение 600 В.
Схема подключения фотореле состоит из прибора Q6004LT, фоторезистора и обычного резистора. Питание схемы осуществляется от сети 220 В. При наличии света фоторезистор имеет малое сопротивление (несколько кОм), и на управляющем электроде квадрака присутствует очень малое напряжение. Квадрак закрыт и через его нагрузку, в качестве которой могут быть использованы лампы освещения, ток не протекает.
[attention type=green]При уменьшении освещенности сопротивление фоторезистора будет увеличиваться, возрастут и импульсы напряжения, поступающие на управляющий электрод. При увеличении амплитуды напряжения до 40 В симистор откроется, по цепи нагрузки потечет ток и освещение включится.[/attention]
Для настройки схемы используется резистор. Начальное значение его сопротивления составляет 47 кОм. Величина сопротивления подбирается в зависимости от требуемого порога освещенности и типа используемого фоторезистора. Тип фоторезистора не критичен. Например, в качестве фоторезистора может быть использованы элементы типа СФ3-1, ФСК-7 или ФСК-Г1.
[blockquote_gray]Совсем не обязательно быть мастером для того, чтобы знать, как починить розетку. Необходимо просто научиться верно определять поломки и запомнить несколько несложных правил для их исправления.
Современная система энергоснабжения предусматривает трехжильную проводку с заземлением в частном доме или квартире. С учетом таких условий устанавливают и розетки.
Использование мощного прибора Q6004LT позволяет подключать к фотореле нагрузку мощностью до 500 Вт, а при использовании дополнительного радиатора эту мощность можно увеличить до 750 Вт. Для дальнейшего увеличения мощности нагрузки фотореле можно использовать квадрак с рабочими токами 6, 8, 10 или 15 А.
[attention type=yellow]Таким образом, преимуществом данной схемы, помимо малого количества применяемых деталей, является отсутствие необходимости отдельного блока питания и возможность коммутации мощных потребителей электрической энергии.
[/attention]
Монтаж данной схемы не представляет особой трудности ввиду малого числа элементов схемы. Настройка схемы состоит в определении желаемого порога срабатывания схемы и осуществляется аналогичным с предыдущей схемой образом.
Выводы:
- В различных системах автоматического регулирования, чаще в системах освещения, используются фотореле.
- Существует много разных схем фотореле с использованием в качестве датчиков фоторезисторов, фотодиодов и фототранзисторов.
- Простейшие схемы фотореле, которые содержат минимум деталей, можно собрать своими руками.
Видео с примером сборки самодельного фотореле
Фотодиод— Понимание основной схемы фоторезистора
Спецификация этого устройства не очень ясна. В некоторых точках он претендует на то, чтобы заменить датчик CdS (т. е. резистор, сопротивление которого зависит от интенсивности света), а в других точках он кажется фотодиодом (т. свет). Некоторые детали в таблице данных предполагают, что это фотодиод (а не фоторезистор), но я включу в свой ответ оба устройства.
Фотодиод (фотопроводящий режим)
Если это устройство на самом деле является фотодиодом, вы можете использовать очень похожую схему, но принцип работы (и некоторые расчеты) другой.
Фотодиод действует аналогично обычному диоду при обратном смещении, что означает, что он блокирует большую часть тока и небольшие «утечки» тока.
По закону Ома выходное напряжение равно току утечки, умноженному на резистор (обозначенный R на схеме в вашем вопросе). Это означает, что выходное напряжение небольшое, даже если устройство находится в полной темноте.
Из-за физики устройства, когда свет попадает на устройство, он пропускает больший ток 1 . Дополнительный ток вызывает повышение выходного напряжения, опять же из-за закона Ома.
Фототранзистор действует так же снаружи при правильном смещении (т. е. он допускает небольшой ток утечки, а затем гораздо больше при освещении), но принцип работы включает несколько другую физику устройства.
Фотодиод (фотогальванический режим)
Фотодиод также может работать как крошечная солнечная панель — он не имеет обратного смещения при напряжении. Это предотвращает создание фонового шума током утечки, но также уменьшает ток и затрудняет его обнаружение. Для работы такой установки необходима специальная схема, использующая микросхему усилителя.
По причинам, не обсуждаемым здесь, эта схема также медленнее.
Вы, вероятно, не будете использовать его, если у вас нет специального приложения, которое требует этого. Кроме того, датчик, который у вас есть, может не подходить для этого режима, поскольку на сайте производителя упоминается «Встроенный усилитель микросигнала CMOS» , возможно, , встроенный в устройство. В даташите об этом не упоминается, как ни странно.
1 Когда диод смещен в обратном направлении, образуется область, известная как обедненная область. Эта область содержит мало электронов и мало дырок, а это означает, что ток течет с трудом. Свет может создавать новые пары электронов и дырок, которые сразу создают ток.
Элемент CdS / фоторезистор
Если мы рассматриваем это устройство как замену фоторезистору CdS (сульфид кадмия) со схемой, которую вы показываете, мы получаем делитель напряжения. Я собираюсь представить это первым, потому что это самое простое и справедливое предположение для некоторых случаев.
смоделируйте эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab
Предположим, что выход подключен к аналоговому выводу Arduino, что означает, что он потребляет мало тока или вообще не потребляет.
Затем ток от батареи определяется как \$\frac{5\,\text{V}}{R_1+R_2}\$, поскольку резисторы включены последовательно. По закону Ома выходное напряжение равно:
$$ 5\,\text{V} + \frac{R_2}{R_1+R_2}$$
Как видите, это напряжение зависит от значения R1, которое меняется со светом.
Почему я должен использовать дополнительный резистор с фоторезистором?
РЕДАКТИРОВАТЬ: Добавлен пример для расчета напряжения в делителе напряжения
Потому что, если вы хотите измерить сопротивление чего-либо, вам нужно подать на него напряжение.
И если вы подаете напряжение, вам нужно как-то измерить это напряжение, и просто измерив между клеммой фоторезистора, которая находится на \$+5\;V\;(V_{cc})\$, и клеммой, которая находится на \$GND\$, вы получаете ровно \$+5\;V\$, напряжение не меняется, независимо от того, насколько велико или мало сопротивление фоторезистора.
Вы измеряете 5В на схеме выше.
Вы решаете проблему, используя делитель напряжения:
смоделируйте эту схему
Теперь вы можете измерить падение напряжения на резисторе, и по этому значению вы можете определить количество света, которое получает фоторезистор.
Пример:
На второй диаграмме видно, что напряжение приложено к сопротивлениям \$50\;\Omega\$ и \$100\;\Omega\$. Поскольку закон Ома гласит, что \$U=R\cdot I\$ и ток в последовательной цепи должен быть равен, через \$R_1\$ и \$R_2\$ протекает один и тот же ток.
Мы можем записать следующее уравнение:
\$U_{R_1}\$ = \$R_1\cdot I\$
Вы можете спросить, как мы можем рассчитать напряжение, если мы не знаем ток.
Ну, ток нам неизвестен, но мы можем вычислить его по закону Ома.
Запишем исходное уравнение закона Ома иначе:
\$U=R\cdot I\;\Rightarrow\;I=\frac UR\$
Так как в этом случае полное сопротивление равно \$R_1+R_2\ $ (или \$150\;\Omega\$ в нашем примере), уравнение для тока будет \$I=\frac{U}{R_1+R_2}\$.
Мы можем использовать это уравнение, чтобы заменить единственную переменную \$I\$ в вышеупомянутом уравнении.
Таким образом, уравнение для каждого из резисторов будет таким:
\$U_{R_1}\$ = \$R_1\cdot\frac{U}{R_1+R_2}\$
\$U_{R_2}\$ = \$R_2\cdot\frac{U}{R_1+R_2}\$.
Если у нас \$50\;\Omega\$ на \$R_1\$ и \$100\;\Omega\$ на \$R_2\$, то напряжения на них будут
\$U_{R_1} \$ = \$R_1\cdot\frac{U}{R_1+R_2}=50\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+100\;\Omega}=50\ ;\Omega\cdot\frac{5\;V}{150\;\Omega}=50\;\Omega\cdot0,0\dot3\;A=1,\dot6\;V\$
\$U_{R_2}\$ = \$R_2\cdot\frac{U}{R_1+R_2}=100\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+100 \;\Omega}=100\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{150\;\Omega}=100\;\Omega\cdot0,0\dot3\;A=3,\dot3\; В\$.
Если \$R_2\$ изменится (например, меньше освещенности) и его сопротивление повысится до \$150\;\Omega\$, напряжения будут
\$U_{R_1}\$ = \$R_1 \cdot\frac{U}{R_1+R_2}=50\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+150\;\Omega}=50\;\Omega\cdot\ frac{5\;V}{200\;\Omega}=50\;\Omega\cdot0,025\;A=1,25\;V\$.
\$U_{R_2}\$ = \$R_2\cdot\frac{U}{R_1+R_2}=150\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+150 \;\Omega}=150\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{200\;\Omega}=150\;\Omega\cdot0,025\;A=3,75\;V\$ .
Чем больше увеличивается сопротивление фоторезистора, тем больше на нем падает напряжение.
Если мы дадим фоторезистору большее освещение и его сопротивление упадет до \$75\;\Omega\$, то напряжения будут
\$U_{R_1}\$ = \$R_1\cdot\frac{U }{R_1+R_2}=50\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+75\;\Omega}=50\;\Omega\cdot\frac{5\;V }{125\;\Omega}=50\;\Omega\cdot0,04\;A=2\;V\$
\$U_{R_2}\$ = \$R_2\cdot\frac{U}{R_1+R_2}=75\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+75 \;\Omega}=75\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{125\;\Omega}=75\;\Omega\cdot0,04\;A=3\;V\$.
Чем меньше становится сопротивление фоторезистора, тем меньше на нем падает напряжение (и больше на другом резисторе).
Как видите, мы перешли от \$3,\dot3\;V\$ до \$3,75\;V\$, когда сопротивление фоторезистора увеличилось, затем напряжение упало до \$3\;V\$, когда сопротивление упал.
