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

Как сделать самый простой сумеречный выключатель (фотореле) — схема и описание

Современная элементная база электроники значительно упрощает схемотехнику. Даже обычный сумеречный выключатель теперь можно собрать всего из трех деталей.

Достаточно часто возникают ситуации, когда с наступлением темноты требуется включение освещения. Это может быть вход в подъезд многоквартирного дома, крыльцо и двор частного домовладения, а то и просто освещение номера дома. Такое включение осуществляется, как правило, с помощью сумеречного выключателя (фотореле).

Подобных схем разработано достаточно много, как в любительских, так и в промышленных условиях. Как и все остальное эти конструкции имеют свои положительные и отрицательные свойства. Некоторыми из отрицательных свойств являются такие, как потребность во внешнем источнике постоянного напряжения (+12 В), или сложность схемы.

К недостаткам подобных устройств следует также отнести применение реле, контакты которого со временем просто обгорают. В магазинах электротоваров сейчас продается немало простых и дешевых сумеречных выключателей, но качество их работы зачастую неудовлетворительно. Такие сложности часто отталкивают потребителя от использования таких выключателей.

Функциональная схема сумеречных выключателей достаточно проста. Условно ее можно разделить на три компонента: фотоэлемент (фоторезистор, фототранзистор, фотодиод), пороговое устройство (компаратор), выходное устройство (реле или симистор). При дневном освещении сопротивление фоторезистора невелико, поэтому напряжение на нем не превышает порога срабатывания компаратора. И поэтому нагрузка (освещение) отключена.

С уменьшением освещенности сопротивление фоторезистора увеличивается и напряжение на нем возрастает. В определенный момент уровень напряжения на фоторезисторе достигает порога срабатывания компаратора, который с помощью реле включает освещение.

Казалось бы, алгоритм работы достаточно простой, и реализовать его несложно. Но, тем не менее, некоторые схемы достаточно сложны, и если выполнены на транзисторах без применения микросхем, могут содержать десяток – другой деталей.

Вместе с тем современная элементная база электроники позволяет создавать очень простые и функциональные схемы фотореле. Достигается это интеграцией (встраиванием) одних элементов в другие. Примером такой интеграции может служить одна из разработок фирмы Teccor Electronics.

Это симистор, или на иностранный манер триак, со встроенным (интегрированным) симметричным динистором, выполняющим роль порогового устройства. Такое устройство получило название Quadrac. Его внутренняя схема показана на рисунке 1.

Нетрудно видеть, что это обычный симистор, вот только в цепь управляющего электрода последовательно включен симметричный динистор. По справочным данным (DataSheet) пороговое напряжение интегрированного динистора находится в пределах 33…43 В.

Рисунок 1. Симистор типа Quadrac. Схема принципиальная.

Симисторы типа Quadrac выпускаются в стандартном корпусе TO-220 с изолированным кристаллом, как показано на рисунке 2. По конструкции и внешнему виду они не отличаются от обычных симисторов. Даже расположение выводов то же.

Рисунок 2. Симистор типа Quadrac. Внешний вид и расположение выводов.

В зависимости от конкретной модели Quadrac различаются по максимальным токам и напряжениям: токи находятся в пределах 4…15 А, а допустимые напряжения 200…600 В. Для применения в высокоиндуктивных цепях предназначаются специализированные Quadrac. Эти модели имеют в конце обозначения букву H, например Q6006LTH.

Вообще, разобраться в маркировке именно этих симисторов достаточно просто. Разберемся с ней на примере только что упомянутого Q6006LTH.

Первая буква Q, как нетрудно догадаться, заимствована от Quadrac и означает, что это не что иное, как симистор со встроенным динистором.

Следующие за первой буквой две цифры, в данном случае это 60, означают, что рабочее напряжение данного прибора 600 В.

Две последних цифры 06, говорят о том, что максимальный рабочий ток составляет 6 А.

Буква H в конце обозначения это информация о том, что данный тип прибора можно использовать для управления индуктивной нагрузкой, например катушкой магнитного пускателя.

При использовании в подобном случае обычного симистора (без буквы H в конце обозначения) выводы 1 и 2 квадрака Q1 (смотри схему на рисунке 3) приходится шунтировать RC цепочкой состоящей из последовательно соединенных резистора 100 Ом и конденсатора 0,1 МкФ. При этом мощность резистора должна быть не менее двух ватт, а рабочее напряжение конденсатора не ниже 600 В. Конденсатор как всегда в таких случаях пленочный типа К-73-17. Если этих мер не предпринять, то катушка пускателя удерживаться как следует не будет: получится звонок громкого боя.

Q4015LTH. Такой Quadrac судя по обозначению имеет рабочее напряжение 400 В, максимальный ток 15 А, и предназначен для работы с высокоиндуктивной нагрузкой.

Назначение обычного симистора это переключение переменного тока при помощи импульсов напряжения на управляющем электроде. При его использовании в сумеречном выключателе обязательно потребуется пороговое устройство, как было описано выше.

Симистор типа Quadrac пороговое устройство содержит внутри себя. Это интегрированный динистор с порогом срабатывания около 40 В. Для того, чтобы создать на таком симисторе сумеречный выключатель достаточно всего двух деталей. На схеме это резистор R1 и фотоэлемент (фоторезистор) PHOTOCELL. Такая схема показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Простой сумеречный выключатель.

Когда фотоэлемент фотореле засвечен его сопротивление невелико (не более нескольких кОм), напряжение на управляющем электроде квадрака незначительное, отчего он находится в закрытом состоянии. При этом лампочка, естественно, не горит.

При снижении освещенности сопротивление фоторезистора увеличивается, поэтому на управляющем электроде появятся импульсы напряжения, амплитуда которых с наступлением темноты возрастает. Когда амплитуда импульсов достигнет 40 В симистор откроется, лампа зажжется.

В описываемом устройстве применен квадрак (такое наименование вполне применимо, даже «Яндекс» находит по нему то, что нужно) с рабочим напряжением 600В и током 4 А. при таких параметрах можно включать нагрузку мощностью 400…500 Вт, и при этом даже не требуется установка симистора на радиатор. Если же установить его на радиатор площадью около 100 квадратных сантиметров, то мощность нагрузки можно увеличить до 750 Ватт.

Если планируется подключение нагрузки с большей мощностью, то следует применить Quadrac на рабочие токи 6, 8, 10 или 15 А.

Настройка устройства сводится к подбору сопротивления резистора R1, именно от этой величины зависит, при какой освещенности будет срабатывать устройство. Величина сопротивления резистора R1 также зависит от примененного фотоэлемента сумеречного выключателя, поэтому, указанное на схеме значение, следует принимать за ориентировочное. Тип фоторезистора на схеме не указан. Можно применить любой, например СФ3-1, ФСК-7 или ФСК-Г1.

Налаживание самодельного фотореле можно выполнить при освещении фотоэлемента обычной лампой накаливания, подключенной через регулятор мощности.