Схемы фотореле для управления освещением

Одной из задач, выполняемых при помощи фотодатчиков, является управление освещением. Такие схемы называются фотореле, чаще всего это простое включение освещения в темное время суток. С этой целью радиолюбителями было разработано немало схем, вот некоторые из них.

Наверное, самая простая схема показана на рисунке 1. Количество деталей в ней, невелико, меньше уже не получится, а эффективность, читай чувствительность, достаточно высокая.

Это достигнуто тем, что транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме составного транзистора, называемой также схемой Дарлингтона. При таком включении коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления составляющих транзисторов. Кроме того, такая схема обеспечивает высокий входной импеданс, что позволяет подключать высокоомные источники сигнала, как показанный на схеме фоторезистор PR1.

Рисунок 1. Схема простого фотореле

Работа схемы достаточно проста. Сопротивление фоторезистора PR1 с увеличением освещенности уменьшается до нескольких КОм (темновое сопротивление несколько МОм), что приведет к открыванию транзистора VT1. Его коллекторный ток откроет транзистор VT2, который включит реле K1, которое своим контактом включит нагрузку.

Диод VD1 защищает схему от ЭДС самоиндукции, возникающей в момент выключения реле K1. Таким образом, очень маломощный сигнал фоторезистора преобразуется в сигнал достаточный для включения обмотки реле.

Чувствительность этой простой схемы достаточно высока, иногда просто избыточна. Чтобы ее уменьшить, и регулировать в необходимых пределах можно добавить с схему переменный резистор R1, показанный на схеме пунктиром.

Напряжение питания указано в пределах 5…15В, — зависит от рабочего напряжения реле. Для напряжения 6В подойдут реле РЭС9, РЭС47, а для напряжения 12В РЭС49, РЭС15. При указанных на схеме транзисторах ток обмотки реле не должен превышать 50мА.

Если вместо транзистора VT2 поставить, например, КТ815, то выходной ток может быть больше, что позволит применить более мощные реле. А вообще, чем выше напряжение питания, тем выше и чувствительность фотореле.

Схема фотореле с фотодиодом

Схема этого фотореле показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема фотореле с фотодиодом

Как и предыдущая, она также содержит минимальное количество деталей, благодаря применению операционного усилителя (ОУ). В данной схеме ОУ включен по схеме компаратора (сравнивающего устройства). Нетрудно видеть, что фотодиод LED1 включен в фотодиодном режиме, — питание подано так, что фотодиод смещен в обратном направлении.

Поэтому, при снижении уровня освещенности сопротивление светодиода Led1 возрастает, что приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе R1, а следовательно и на инвертирующем входе компаратора OP1.

Напряжение на неинвертирующем входе ОУ устанавливается при помощи переменного резистора R2, и является пороговым — задает порог срабатывания. Как только напряжение на инвертирующем входе станет меньше, чем пороговое, на выходе компаратора появится высокий уровень напряжения, который откроет транзистор T1, который включит реле K1.

Реле и транзистор в этой схеме можно подобрать, руководствуясь рекомендациями к схеме, показанной на рисунке 6. В качестве компаратора можно использовать ОУ типа К140УД6, К140УД7 или подобные. Источник питания для схемы подойдет любой, можно даже бестрансформаторный, без гальванической развязки от сети. В этом случае при наладке следует быть внимательным, соблюдать правила техники безопасности. Идеальным вариантом следует считать использование для настройки схемы разделительного трансформатора или, как его иногда называют трансформатора безопасности.

Настройка устройства сводится к установке порогового напряжения таким образом, чтобы включение происходило уже при наступлении сумерек. Чтобы не дожидаться этого природного момента, можно в затемненной комнате засвечивать фотодиод лампой накаливания, включенной через тиристорный регулятор мощности. Эта же методика пригодна для настройки и других схем фотореле.

Возможно, что при срабатывании фотореле релюшка будет дребезжать. Избавиться от этого явления можно присоединив параллельно катушке электролитический конденсатор на несколько сотен микрофарад.

Фотореле на микросхеме

Специализированная микросхема КР1182ПМ1 представляет собой фазовый регулятор мощности, то же самое, что обычный тиристорный. Весьма важным и ценным свойством такого регулятора мощности является то, что он включается в схему как двухполюсник, не требуя для себя дополнительного провода питания: просто включил параллельно выключателю и все уже работает! На рисунке 4 показано, как на этой микросхеме можно построить несложное фотореле.

Рис. 3. Микросхема КР1182ПМ1

Рисунок 4 . Схема фотореле на микросхеме КР1182ПМ1

Управляющие выводы микросхемы 3 и 6. Если между ними подключить просто обычный однополюсный выключатель, то при его замыкании нагрузка будет отключаться! Если его разомкнуть, то нагрузка подключится. Кстати, без дополнительных внешних тиристоров или симистора, и даже без радиатора, микросхема выдерживает нагрузку до 150Вт. Это в случае, если при включении нагрузки нет бросков тока, как у ламп накаливания. Лампу накаливания в таком варианте можно включать мощностью не более 75Вт.

Просто выключатель к этим выводам подключать как бы ни к чему, если только в комплексе с другими деталями. Если не обращать внимания на фототранзистор и электролитический конденсатор, мысленно оставить только переменный резистор R1, то получается просто фазовый регулятор мощности: при перемещении его движка вверх по схеме выводы 3 и 6 замыкаются накоротко, тем самым отключая нагрузку, как упомянутым выше контактом. При перемещении движка вниз по схеме мощность в нагрузке изменяется от 0…100%. Тут все понятно и просто.

Если к этим выводам подключить электролитический конденсатор (считаем, что фототранзистора в схеме пока нет), то получится просто плавное включение нагрузки. Каким образом?

Сопротивление разряженного конденсатора невелико, поэтому поначалу управляющие выводы микросхемы 3 и 6 практически замкнуты накоротко и нагрузка отключена. По мере заряда сопротивление конденсатора возрастает (достаточно вспомнить проверку конденсаторов омметром), напряжение на нем тоже растет, мощность в нагрузке плавно увеличивается. Получается устройство плавного включения нагрузки. Причем мощность в нагрузку будет подана на столько, насколько введен движок переменного резистора R1. При отключении устройства от сети конденсатор разряжается через резистор R1, подготавливая устройство к следующему включению. Если конденсатор разрядиться не успеет, то плавного включения не будет.

Вот теперь и добрались до самого главного, до фотореле. Если теперь к управляющим выводам 3 и 6 подключить фототранзистор, то получится фотореле. Работает оно следующим образом. Днем при высокой освещенности фототранзистор открыт, поэтому сопротивление его участка коллектор – эмиттер невелико, выводы 3 и 6 замкнуты между собой, нагрузка отключена.

При плавном уменьшении освещенности в вечерние часы фототранзистор плавненько будет открываться, постепенно увеличивая мощность в нагрузке, то есть в лампе. Никаких пороговых элементов в этой схеме нет, поэтому лампа будет зажигаться и гаснуть постепенно.

Чтобы фотореле не сработало в тот момент, когда включится своя же лампа, фототранзистор желательно защитить от такой подсветки. Проще всего это сделать с помощью пластиковой трубки.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник

—>ЗАМЕТКИ ДЛЯ МАСТЕРА —>

Фотореле на симисторе

На схеме (рис.1) показана конструкция автоматического устройства включения и выключения уличного освещения. В предлагаемой конструкции функцию управления выполняет симистор. Благодаря тому, что его работа не зависит от полярности приложенного напряжения, отпадает необходимость в мощном двухполупериодном выпрямителе. Это позволяет упростить конструкцию автомата и уменьшить его габариты. Предлагаемое устройство рассчитано на управление источниками света общей мощностью до 400 Вт.

Фоторезистор R1 вместе с резисторами R2 и R3 образуют делитель напряжения, который определяет ток базы транзистора VT1. В дневное время суток, когда фоторезистор освещен, его сопротивление сравнительно невелико, поэтому транзистор VT1 открыт и насыщен, а VT2 закрыт. Коллекторный ток транзистора VT2, а следовательно, и ток управляющего электрода симистора практически равны нулю. Симистор, таким образом, закрыт, и ток через нагрузку не протекает. С уменьшением освещенности сопротивление фоторезистора возрастает, и ток базы транзистора VT1 начинает уменьшаться. При достижении определенного значения транзистор VT1 выходит из насыщения и начинает закрываться. Увеличивающееся падение напряжения на резисторе R7 ускоряет закрывание транзистора VT1 и открывание VT2. Ток управляющего электрода симистора, протекающий через открытый транзистор VT2 и резисторы R6, R7, поддерживает симистор открытым на протяжении обоих полупериодов сетевого напряжения. Следовательно, лампы сразу начинают с ветить в полный накал. Процесс выключения фотореле происходит в обратном порядке. Порог срабатывания фотореле устанавливают переменным резистором R2, а резистор R3 служит для ограничения тока делителя при попадании на фотоприемник прямых солнечных лучей. Резистор R6 определяет ток управляющего электрода симистора, который при открытом транзисторе VT2 должен быть больше тока включения симистора, но меньше допустимого коллекторного тока транзистора VT2. Резистор R5 уравнивает напряжение на управляющем электроде и катоде симистора, когда транзистор VT2 закрыт. Это обеспечивает надежное выключение с имистора и помехоустойчивость фотореле в целом. В устройстве использованы транзисторы VT1 и VТ2—КТ315Г или КТ315Е с коэффициентом передачи тока не менее 60.

Устройство, собранное безошибочно и из элементов с указанными на схеме типономиналами, в налаживании не нуждается, необходимо только установить порог срабатывания. Монтируют фотореле в таком месте, чтобы свет от ламп, которыми оно управляет, не попадал на фотоприемник. Во избежание попадания в коробку воды и посторонних предметов входной патрубок ее должен быть направлен вниз, а крышку после установки герметизируют водостойким лаком или клеем.

Автомат – выключатель освещения

Это устройство (рис.2) предназначено для автоматического включения электроосвещения при наступлении темноты и его выключения в светлое время суток.

Его светочувствительным прибором является фоторезистор R 1, включенный на входе порогового устройства (элементы DD 1.1, DD 1.3). При нормальной освещенности сопротивление фоторезистора мало, поэтому на выходе элемента DD 1.3 будет напряжение высокого уровня и генератор импульсов, собранный на элементах DD 1.2, DD 1.4, не работает. На выходе генератора транзисторы VT 1, VT 2 выполняют функцию согласующего устройства с симистором. В таком режиме работы устройства на управляющий электрод симистора VS 1 никаких сигналов не подается, поэтому он закрыт и осветительная лампа HL 1 обесточена.

С наступлением темного времени суток сопротивление фоторезистора возрастает, напряжение на выходе порогового устройства уменьшается. И когда оно уменьшится до низкого уровня, генератор начнет работать и на выходе согласующего устройства появятся импульсы с частотой следования около 1 кГц. Так как эти импульсы разнополярные, то положительные импульсы замыкаются на корпус через диод VD 3, а отрицательные – поступают на управляющий электрод симистора.

При этом симистор открывается практически в самом начале каждого полупериода сетевого напряжения, поэтому осветительная лампа светится на полную мощность.

Выпрямитель автомата образуют стабилитрон VD 2, диод VD 1 и конденсатор С4, который гасит избыточное напряжение сети. Пороговое устройство имеет гистерезис своей характеристики, что обеспечивает устойчивое срабатывание автомата при переходе из одного режима работы в другой.

Утром, когда естественная освещенность увеличивается, происходит обратный процесс, и осветительная лампа гаснет.

Фотодатчик размещают в месте, защищенном от прямых солнечных лучей, атмосферной влаги и света осветительных ламп. Его можно поместить в стеклянную пробирку, которая затем надежно герметично закупоривают. Если мощность осветительных ламп больше 500 Вт, то симистор устанавливают на теплоотводящий радиатор.

Налаживание автомата сводится к установке резистором R 2 требуемого порога срабатывания.

«Конструкции на логических

элементах цифровых микросхем»

Автомат уличного освещения

Схема автомата, позволяющего включать вечером и выключать утром уличное освещение, показана на рисунке 3.

Датчиком освещения является фоторезистор R 4. Когда он затемнен, его сопротивление велико (несколько мегаом), на входах логического элемента DD 1.1 – напряжение высокого уровня, такое же напряжение на выходе элемента DD 1.2. Транзистор VT 1 и VS 1 открыты, и уличные осветители EL 1 включены.

При наступлении рассвета сопротивление фотодатчика R 4 уменьшается, логические элементы DD 1.1 и DD 1.2 переключаются в противоположные состояния, транзистор VT 1 и тиристор VS 1 закрываются и фонари на улице гаснут.

На логических элементах DD 1.1, DD 1.2 и резисторах R 2, R 3 выполнен триггер Шмитта. Это устройство, как и обычный (счетный) триггер, обладает двумя устойчивыми состояниями. Но в отличии от счетного триггера, состояние которого изменяется после прихода очередного импульса на вход, триггер Шмитта переключается при изменении уровня входного напряжения. Можно так подобрать резисторы R 2 и R 3, что пороги переключения при увеличении входного напряжения и при его уменьшении не будут равны между собой. Например, для нашего триггера при увеличении входного напряжения порог переключения может составлять 3В, а при уменьшении напряжения 2В. Разность порогов переключения называют гистерезисом триггера. Гистерезис тем больше, чем больше отношение R 2/ R 3.

Если в автомате не использовать триггер Шмитта (т.е. резистор R 3 исключить, а R 2 замкнуть накоротко), то при изменении освещенности может наблюдаться мерцание осветительных ламп, при этом на выходе элемента DD 1.2 будет напряжение, находящееся между напряжениями низкого и высокого уровней. В триггере Шмитта такого не может быть, поскольку обратная связь через резистор R 3 с выхода элемента DD 1.2 на вход элемента DD 1.1 ускорит процесс переключения, сделает его лавинообразным. Такую обратную связь называют положительной.

В качестве датчика освещенности можно использовать фоторезисторы ФС-К (с любыми цифрами), а также фотодиоды ФД-1, ФД-2, ФД-3 (подключают катодом к резисторам R 1, R 2).

Фотодатчик следует располагать в таком месте, куда не попадает прямой свет фонарей EL 1, иначе автомат будет работать неустойчиво. Резистором R 1 можно изменять уровень освещенности, при котором включаются и выключаются осветители. Разницу в порогах включения и выключения осветительных ламп можно изменять подбором резистора R 2.

Максимальная мощность осветительных ламп определяется типами тиристора VS 1 и диодов VD 2- VD 5. В данном случае она составляет 2 кВт. Тиристор и диоды устанавливают на радиаторы.

Фотореле в подъезд

Схема прибора, показанная на рис.4, устанавливается в подъезде жилого дома и включает в нем освещение с наступлением темноты, а на рассвете выключает его.

При освещении фоторезистора R 4 его сопротивление снижается, падение напряжения на нем уменьшается, транзистор VT 1 закрывается, реле К1 и лампа EL 1 выключаются, при затемнении фоторезистора все происходит в обратном порядке и лампа включается. Конденсатор С1 – К73-17. Его можно заменить пленочным конденсатором зарубежного производства на напряжение не менее 630 В постоянного или 275 В переменного тока. Вместо зарубежного транзистора SS 9013 H подойдет КТ680А. Фоторезистор установлен импортный. Его сопротивление, равное 30 кОм в темноте, при дневном свете уменьшается до 6 кОм.

Реле использовано с обмоткой сопротивлением 1600 Ом. Измеренный мультиметром ток срабатывания – 2,58 мА. Контакты реле должны быть рассчитаны на коммутацию соответствующей нагрузке.

Простой выключатель ночного освещения

Одно из достоинств микросхемы – фазового регулятора КР1182ПМ1 в том, что для управления нужно изменять сопротивление между двумя выводами 6 и 3, на которых имеется постоянное напряжение. Это позволяет вместо переменного резистора, положенного по типовой схеме, использовать различные схемы на транзисторах и цифровых микросхемах.

На рисунке 5 приводится схема простого сумеречного выключателя, включающего на участке с наступлением темноты, и выключающего его на рассвете. Благодаря тому, что управляет лампой не ключ, а фазовый регулятор, лампа включается не сразу, а постепенно. Это способствует долговечности лампы накаливания.

Резистор R 2 служит для установки порога включения / выключения, резистор R 3 – для установки яркости максимальной освещенности. Мощность лампы не более 150 Вт.

Автомат уличного освещения

На рис.6 показана схема фотореле, предназначенного для включения света в темное время суток и включение на рассвете.

Рис.6 Принципиальная схема и печатная плата фотореле

Фотодатчик – VT 1 используется с «шариковой» компьютерной мыши и представляет собой пару фототранзисторов без базовых выводов, расположенных в одном корпусе. Фототранзисторы структуры n — p — n , коллектора соединены вместе и выведены на средний вывод корпуса, а эмиттеры – на крайние.

За включение света отвечает левый по схеме фототранзистор датчика VT 1. Порог снижения освещенности, при достижении которого должна включится осветительная лампа, устанавливается резистором R 1.

Схема выключения (на правом транзисторе VT 1) работает противоположным образом. Подстроечным резистором R 2 устанавливают уровень, при возрастании освещенности до которого осветительная лампа должна выключиться.

Автомат включения уличного освещения на транзисторах

Датчик фотореле размещается на улице, защитив его от прямого попадания искусственного света. Реле срабатывает с наступлением ночного времени суток и автоматически включает питание лампы уличного освещения или лестничной клетки, а утром выключать его.

Принципиальная схема представлена на рис.7.

Схема фотореле обладает неплохой чувствительностью, так как для его питания используется более высокое напряжение – около 18В. Контакты К1.1 электромагнитного реле К1, используемого в автомате, нормально замкнутые.

В ночное и вечернее время суток фоторезистор R 1 (ФСК-1) освещен очень слабо и его сопротивление составляет несколько сотен килоом. При этом коллекторные токи транзистора VT 1, в базовую цепь которого включен фоторезистор, и транзистора VT 2, база которого соединена непосредственно с эмиттером первого транзистора, не превышает тока отпускания электромагнитного реле К1. В это время осветительная лампа Н1, подключенная к электроосветительной сети через нормально замкнутые контакты К1.1 реле, горит.

С наступлением рассвета фоторезистор освещается все сильнее и его сопротивление уменьшается до 80 – 100кОм. При этом токи транзисторов усилителя увеличиваются. При токе 20 – 25 мА реле срабатывает и его контакты, размыкаясь, разрывают цепь питания осветительной лампы. А вечером, когда сопротивление фоторезистора снова начнет увеличиваться, а коллекторные токи соответственно уменьшаться, реле отпустит и замыкающими контактами включит освещение.

Выпрямитель автомата двухполупериодный. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С1 и стабилизируется двумя стабилитронами V 5 и V 4 серии Д809 (можно Д814Б). Номинальное напряжение конденсатора С1 не должно быть меньше 25В.

В автомате используется реле типа РЭС-22 (паспорт РФ4.500.131), РСМ-1 (паспорт Ю.171.81.37) или другое аналогичное с обмоткой сопротивлением 650-750 Ом.

Для увеличения задержки времени выключения осветительной лампы питающее напряжение автомата надо уменьшить на 3-4 В, а для уменьшения, т.е. более раннего выключения, наоборот, увеличить на 3-4 В. Это можно сделать при использовании в блоке питания стабилитронов с другими напряжениями стабилизации: в первом случае – стабилитронов Д808 или одного (вместо двух) стабилитрона Д813, во втором – трех стабилитронов Д808 или двух стабилитронов Д811 или Д814Г. Чувствительность автомата можно также регулировать подбором резистора R3 .

Источник