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.

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

Делаем фотореле своими руками

Одним из многочисленных автоматов, в общем смысле слова, является фотореле. Оно визуально незаметно, малофункционально и применяется во многих нишах. Устройство обладает единственной реакцией на внешний фактор наличия или отсутствия света — соединение или разрыв линии, по которой идет ток. Последнее используется как напрямую для отключения или активации потребителей, так и в качестве сигнального импульса. Встретить фотореле можно во многих сферах жизни, от контрольных линий производства или турникетов метро, до их присутствия в роли элементов выключателей освещения различного плана.

Турникеты в метро:

Многие не раз попадали в ситуации, когда в темноте не видно расположения предметов. Причем это мешает не только процессу личного перемещения, но и создает неудобство, когда нужно что-то найти в темноте. Вопрос вполне решаем установкой лампы. Вот только сразу выявляется проблема с ее включением в темноте. Здесь в роли автомата может применятся фотореле, включающее освещение именно в те моменты, когда наступает темнота.

Упомянутая ниша использования не единственная. На основе реакции датчика на видимое излучение, построены и считающие единицы товара приборы, и охранные устройства. Оба названых типа определяют пересечение луча света объектом. На том же принципе бывают выполнены системы автоматического открытия дверей, ворот или шлагбаумов.

Простота конструкции позволяет легко изготовить комплекс из реагирующей части и фотореле своими руками, о чем и пойдет речь в статье. Будут рассмотрены виды соединения готовых сборок, выпускаемых промышленностью и их схемы, раскрывающие сущность названых частей, от самых элементарных, до использующих в своей основе микроконтроллер.

Схема простого фотореле

Начнем с простого устройства наподобие ночника. Когда светло, он выключен, но чем темнее становится, тем ярче горит лампа. Сразу маленькое напоминание — питание устройства 220 В, так что нужно быть аккуратнее и внимательнее при его сборке и проверке.

Чем меньше освещенность фоторезистора, тем сильнее открыт семисторный ключ Q6004LT. Соответственно, больше тока предоставляется нагрузке, в роли которой выступает маломощная лампа накаливания.

Есть вариант описанной схемы, использующий уже 5 элементов. В ней лампа просто загорается в темноте на максимальную яркость и гаснет в моменты попадания света на фоторезистор.

Простая схема фотореле:

Настройка чувствительности выполняется подбором значения R1. Изменять в какую-либо сторону его нужно в относительно небольших пределах. Мощность резистора выбирается для всех случаев равной 1 Вт. Семистор КУ208Г можно сменить на КУ601Г без потери функциональности конечного устройства, но в любом случае, на названый элемент схемы нужно ставить теплоотвод — при использовании указанной нагрузки, он сильно греется.

Другой несложной конструкцией можно назвать использование фотореле в связке с несколькими транзисторами. Приведенная схема изначально рассчитана на подключение потребителей через линию размыкания электромагнитного реле.

Фоторезистор PR1 с подстроечником R1 выступают в роли делителя напряжения, управляющего состоянием транзистора VT1, который в свою очередь открывает или закрывает VT2. Последний, и производит пропуск тока на реле K1, размыкающее или соединяющее линию питания нагрузки. Диод VD1 шунтирует скачки тока в моменты срабатывания электромагнитного элемента, защищая транзисторы.

Обратите внимание! Указанное устройство питается уже не от сети 220 В, а имеет свой токовый ввод от 5 до 15 В. Что касается функций подстроечника R1 — он нужен для установки чувствительности к потоку света, приводящего к срабатыванию самого устройства.

Повторяемый промышленный вариант

В качестве своеобразного эталона рассмотрим схему фотореле ФР-602 от компании EIK. Большая часть представленных на рынке устройств аналогичного плана конструктивно похожи, отличаясь лишь в мелочах.

Принципиальная схема фотореле вместе с печатной платой:

Как видно, конструкция проста и может быть выполнена в домашних условиях. Элементарная база:

Обозначение на схеме	Модель/тип	Характеристики	Аналоги
С2	Конденсатор	0.7мкф, 400 В
C4	Электролитический конденсатор	100 мкф, 50 В
C5		47 мкф 25 В
R2	Резистор	1.5 МОм, 0.125 Вт
R3		220 Ом, 2 Вт
R4		1 МОм, 0.125 Вт
R5		560 кОм, 0.125 Вт
R6		200 кОм, 0.125 Вт
R7		100 кОм, 0.125 Вт
R8		75 кОм, 0.125 Вт
R9		33 кОм, 0.125 Вт
WL	Построечный резистор	2.2 мОм
ZD1	Стабилитрон 1N4749	24 В	3 последовательно соединенных Д814А, или 2 Д814Д
D1-D5	Выпрямительный диод 1N4007
VD1	Выпрямительный диод 1N4148
Q1, Q2	Биполярный транзистор BC857A	КТ3107Б
PH	Фотоэлемент (фоторезистор)	До 110 кОм
Rel	Реле SHA-24VDC-S-A (Rel1)

Схема подключения классических фотореле к линии потребления

Все виды выпускаемых промышленностью или сделанных самостоятельно реле, требуют отдельного питания. Соответственно, и два контакта устройства будут предназначены названым целям. Причем встречаются модели фотореле без встроенного преобразователя напряжения, что означает подачу питания к ним не от сети 220 В, а через отдельный понижающий блок. Линий, идущих к потребителям может быть несколько, в зависимости от количества внутренних электромагнитных переключателей. Причем ввод может быть и раздельным для каждого контакта, — объединенным между прочими — или вообще интегрированным с питанием самого фотореле.

Датчик света у большинства моделей встроен в корпус самого устройства, но существуют и раздельные варианты, позволяющие выносить его в сторону от самого аппарата. Последнее нужно для случаев исключения засветки фотоприемника от управляемых ламп, чтобы система не превращалась в стробоскоп. То есть, когда темно — аппарат включает лампы. Становится светло — он их отключает. Опять срабатывает на мрак. И так по кругу.

Одинарная

Описанная ранее модель ФР-602 и аналогичные ей подключаются к линии следующим образом:

На большое количество потребителей энергии

Для управления мощной нагрузкой, например, при подключении прожектора или многочисленных ламп, лучше использовать промежуточные реле. В роли последних выбираются соответствующие приборы, которые выдерживают прохождение большого тока, достаточного для питания. Примером могут стать РК-1p/2p (Un), МРП-2, IEK ORM-41F-1, DEKraft ПР-102 и им подобные. Обратите внимание, что часть из реле аналогичного плана рассчитаны на управление переменным током (AC), в то время как другие постоянным (DC). Кроме того, напряжения включения может отличаться в нижнюю сторону от номинала розетки. Последние два фактора важно учитывать при проектировании монтажной схемы. Если реле-посредник питается от постоянного тока, то фотореле должно управлять подачей электричества к блоку преобразования. Который уже включившись, приведет в действие электромагнитный контактор, активирующий основную линию питания клиентских устройств.

Использование иных моделей фотореле

Здесь представлена схема подключения фотореле для другого варианта исполнения конечного автомата — с выносным датчиком чувствительности к свету и раздельными контактными линиями. Изначально она подготовлена для ФР-7Е, но подходит и для аналогичных моделей иных производителей.

Обратите внимание, что представленное фотореле и упомянутое ранее, различаются корпусом, а в частности защитой устройства от внешних факторов. ФР-601/602 можно безболезненно размещать под открытым небом на улице, а у ФР-7Е для аналогичного действия требуется установка дополнительного кожуха. Но устройства подобного плана установки выпускаются со всеми необходимыми креплениями в стандартный электротехнический щиток, включая подготовленные места монтажа к DIN-рейке.

Расширение функциональности с добавлением реле времени

Планируя использовать фотореле для уличного освещения своими руками, можно слегка расширить его функциональность, добавив таймер отключающий свет через установленное время. Причина проста — не нужно тратить электричество на работу ламп всю ночь, когда они точно никому не нужны. С целью реализации можно использовать реле отключения, наподобие IEK ORT-A2-AC230V, THC-B1 или аналогичные.

Расширенная схема питания уличного освещения:

Микропроцессорное фотореле

Современные технологии коснулись и фотореле. Все чаще начинают применяться устройства на базе микроконтроллеров, которые позволяют не только производить определение наличия светового потока, но и совмещать множество других функций. Причем расширение не требует сильного изменения аппаратной составляющей, достаточно модифицировать внутреннюю программу.

Микроконтроллер — маленький компьютер, изначально ориентированный на управление устройствами в зависимости от внешних факторов и алгоритма. Кроме того, его возможностей вполне достаточно для присоединения к общей цифровой сети, объединяющей группы оборудования различного плана.

Также стоит упомянуть о промышленных образцах фотореле, оснащенных «умной» частью. Но их функциональность обычно ограничена производителем. Поэтому лучше рассмотреть другую систему. К примеру, Arduino. Его возможностей вполне достаточно для осуществления контроля света, отключения линии днем и ночью, отправки сообщений о текущем используемом режиме или сигнализации о нарушениях в работоспособности лампы.

На аппаратной стороне, все что непосредственно не касается функций контроля, возлагается на дополнительно подключаемые «шилды» к Arduino. В приведенной схеме последнее будет относиться к часам, датчику света и самому реле. Вопрос отправки статуса конечному владельцу решается за счет GSM модуля связи, который и будет отсылать SMS о текущем режиме работы системы.

Принципиальная схема конструкции достаточно проста:

Есть примечание, касающееся приведенной сборки. Обратите внимание, что релейный модуль имеет стороннее питание. Это сделано в целях избежания скачков тока, так как шилд берет много электричества из общей линии и может вызвать «просадку» напряжения при переключениях. Отдельное питание рекомендуется и SIM800L (на приведенной схеме он подключен напрямую к самому Arduino). Также модуль GSM-связи достаточно потребляющий элемент — ему нужно выработать определенную мощность для соединения с сотовой вышкой, а взять энергию с названой целью он может только из линии снабжения.

Что касается программной части, написать соответствующий алгоритм сможет любой, знакомый с программированием микроконтроллеров Arduino. Тем более, есть множество кодов в интернете.

Несмотря на функциональную простоту фотореле, ниш применения у него достаточно. Тем более, что малые возможности расширяются добавлением новых за счет небольшого усложнения схемы и использования микроконтроллеров.

Видео по теме

Источник