Схема датчика освещенности. Схемы датчиков освещенности: принципы работы и применение

Как работают схемы датчиков освещенности. Какие виды датчиков освещенности существуют. Где применяются датчики освещенности. Как собрать простую схему датчика освещенности своими руками.

Принцип работы датчиков освещенности

Датчики освещенности (фотодатчики) — это устройства, которые реагируют на изменение интенсивности светового потока. Принцип их работы основан на свойстве некоторых материалов изменять свои электрические характеристики под воздействием света.

Основные типы датчиков освещенности:

• Фоторезисторы — изменяют свое сопротивление в зависимости от освещенности
• Фотодиоды — генерируют электрический ток под воздействием света
• Фототранзисторы — усиливают слабый фототок
• Фототиристоры — переключаются под воздействием света

При попадании света на чувствительный элемент датчика происходит изменение его электрических параметров. Это изменение преобразуется в электрический сигнал, который можно измерить и использовать для управления различными устройствами.

Области применения датчиков освещенности

Датчики освещенности нашли широкое применение в различных сферах:

• Автоматическое управление освещением
• Системы безопасности и охраны
• Бытовая техника (фотоаппараты, смартфоны)
• Промышленная автоматика
• Сельское хозяйство (теплицы, оранжереи)
• Автомобильная электроника

Одно из самых распространенных применений — автоматическое включение/выключение освещения в зависимости от уровня естественного света. Это позволяет экономить электроэнергию и повышает комфорт.

Схема простого датчика освещенности на фоторезисторе

Рассмотрим принципиальную схему простого датчика освещенности на основе фоторезистора:

«`text +12В | | [R1] | |——| | | [FR1] | | | | [R2] | | |——| | | [T1] | | | GND [LED] | GND Компоненты: R1 — резистор 10 кОм FR1 — фоторезистор R2 — резистор 1 кОм T1 — транзистор BC547 LED — светодиод Принцип работы: 1. При высокой освещенности сопротивление FR1 низкое 2. Транзистор T1 закрыт, светодиод не горит 3. При затемнении сопротивление FR1 растет 4. Транзистор T1 открывается, светодиод загорается 5. R1 и R2 задают рабочую точку и чувствительность «`

Данная схема работает следующим образом:

1. При высокой освещенности сопротивление фоторезистора FR1 низкое, что приводит к низкому напряжению на базе транзистора T1. Транзистор закрыт, светодиод не горит.
2. При снижении освещенности сопротивление FR1 увеличивается. Это приводит к росту напряжения на базе T1.
3. Когда напряжение на базе достигает порогового значения, транзистор открывается и включает светодиод.
4. Резисторы R1 и R2 задают рабочую точку схемы и позволяют настроить ее чувствительность.

Такая простая схема может служить основой для создания различных устройств автоматического управления освещением.

Цифровые датчики освещенности

Помимо аналоговых датчиков, существуют и цифровые датчики освещенности. Они имеют встроенный АЦП и выдают данные об освещенности в цифровом виде, что упрощает их интеграцию с микроконтроллерами и другими цифровыми системами.

Преимущества цифровых датчиков:

• Высокая точность измерений
• Широкий динамический диапазон
• Простота интеграции с микроконтроллерами
• Возможность настройки параметров
• Встроенная температурная компенсация

Популярные модели цифровых датчиков освещенности: TSL2561, BH1750, OPT3001. Они используют интерфейсы I2C или SPI для обмена данными с управляющим устройством.

Применение датчиков освещенности в умном доме

Системы умного дома активно используют датчики освещенности для автоматизации и повышения энергоэффективности. Основные сценарии применения:

• Автоматическое включение/выключение наружного освещения
• Управление шторами и жалюзи
• Адаптивное освещение помещений
• Экономия энергии за счет использования естественного света
• Имитация присутствия хозяев в доме

Интеграция датчиков освещенности с системой умного дома позволяет создавать сложные сценарии автоматизации, учитывающие время суток, погодные условия и предпочтения пользователей.

Как выбрать датчик освещенности?

При выборе датчика освещенности следует учитывать несколько ключевых параметров:

1. Диапазон измерений — должен соответствовать условиям применения
2. Чувствительность — способность различать малые изменения освещенности
3. Спектральная характеристика — чувствительность к различным длинам волн
4. Быстродействие — время отклика на изменение освещенности
5. Температурный диапазон — особенно важно для наружного применения
6. Интерфейс — аналоговый или цифровой выход
7. Энергопотребление — критично для автономных устройств

Правильный выбор датчика освещенности обеспечит надежную и эффективную работу вашего устройства или системы.

Калибровка датчиков освещенности

Для получения точных результатов измерений датчики освещенности требуют калибровки. Процесс калибровки включает следующие этапы:

1. Выбор эталонного источника света с известными характеристиками
2. Измерение выходного сигнала датчика при различных уровнях освещенности
3. Построение калибровочной кривой
4. Внесение поправочных коэффициентов в программу обработки данных

Калибровку следует проводить периодически, особенно при изменении условий эксплуатации датчика. Это обеспечит достоверность получаемых данных и корректную работу системы управления.

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.

Как быстро сделать простое фотореле, схемы не сложных фотореле

Фотодатчики и реализованные на их основе электронные устройства, управляющие различными бытовыми приборами, давно завоевали популярность.

Казалось бы, невозможно уже найти что-либо новое в схемном решении для таких устройств. Ниже предлагаю читателям три надежные схемы, отличающиеся простотой и высокой чувствительностью к воздействующему на датчики световому потоку.

Эти несложные можно использовать в своих конструкциях автоматики и в устройствах управления.

Устройство охранной сигнализации с самоблокировкой

Простое и надежное устройство охранной сигнализации с самоблокировкой представлено на принципиальной схеме (рис. 1).

Рис 1. Охранная сигнализация с самоблокировкой.

Устройство применяется в качестве детектора освещения: светодиод HL1 загорается, если на фотодатчик — фоторезистор PR1 не попадает естественный или электрический свет. Практически этот электронный узел поможет при контроле зоны безопасности дома или садового участка.

Пока фоторезистор PR1 освещен, его сопротивление постоянному электрическому току мало, и падение напряжения на нем недостаточно для отпирания тиристора VS1.

Если поток света, воздействующий на фотодатчик, прерывается, сопротивление PR1 увеличивается до 1…5 МОм, тогда конденсатор С1 начинает заряжаться от источника питания.

Это приводит к отпиранию тиристора VS1 и включению светодиода HL1. Кнопка S1 предназначена для возврата устройства в исходное состояние.

Вместо светодиода HL1 (и включенного последовательно с ним ограничивающего ток резистора R2) можно использовать маломощное электромагнитное реле типа РЭС 10 (паспорт 302, 303), РЭС 15 (паспорт 003) или аналогичное с током срабатывания 15. ..30 мА. При увеличении напряжения источника питания ток потребления реле повышается.

Вместо тиристора КУ101А можно применить любые тиристоры серии КУ101. Фотодатчик PR1 состоит из двух параллельно соединенных (для лучшей чувствительности нет необходимости в дополнительном усилителе сигналов) фоторезисторов СФЗ-1. Конденсатор С1 типа МБМ, КМ или аналогичный.

Светодиод — любой. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0/25. Кнопка S1 может быть любой. В авторском варианте использован’микропереключатель МПЗ-1.

Датчик освещенности на ОУ

На рис. 2 изображена схема датчика освещенности с усилителем на базе операционного усилителя К140УД6.

Рис. 2. Схема датчика освещенности на ОУ.

Резистор положительной обратной связи R4 вводит в схему петлю гистерезиса с целью предотвращения паразитных колебаний. Без положительной обратной связи, 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 сопротивление резистора R4 установлено для напряжения источника питания 12 В. При увеличении Un сопротивление резистора R4 необходимо подобрать точнее. Чувствительность устройства 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 микросхемы К140УД6 можно без изменений схемы применять однотипные операционные усилители К140УД608, К140УД7. Конденсатор С1 служит в схеме для фильтрации высокочастотных помех по напряжению. Транзистор VT1 можно заменить на КТ315А-КТ315В, КТ312А-КТ312В. Переменный резистор R3 типа СПЗ-1ВБ.

Фотореле на таймере КР1006ВИ1 (555)

На рис. 3 показана схема с универсальным таймером КР1006ВИ1.

Этот простой автомат для включения ночного освещения можно эффективно применять как в городских условиях, так и на даче или в сельской местности.

Рис. 3. Электрическая принципиальная схема фотореле (фото-датчика) на основе таймера КР1006ВИ1.

Если на фоторезистор (два параллельно подключенных для лучшей чувствительности фоторезистора СФЗ-1) попадает хотя бы слабый дневной свет — транзистор VT1 закрывается, так как 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.

Когда сопротивление между базой VT1 и положительным выводом источника питания низкое, 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.

К1006ВИ1 имеет достаточно мощный выход (вывод 3), позволяющий управлять устройствами нагрузки, потребляющими ток до 250 мА. Поэтому к выходу DA1 можно подключать маломощные реле без ключевого транзисторного каскада.

Реле К1 срабатывает и удерживает во включенном состоянии лампу освещения HL1. Вместо лампы возможно применение другой активной нагрузки с потребляемой мощностью не более 0,2 А (этот параметр обусловлен характеристиками маломощного реле).

Таким образом, нагрузка (электрическая лампа освещения) оказывается включенной всегда, пока на фотодатчик не воздействует хотя бы минимальный световой поток.

Устройство выдержало экспериментальные испытания и работает надежно, оно применяется в авторском варианте для включения энергосберегающей лампы подсветки вечером и ночью (фотодатчик обращен к естественному свету). Благодаря высокой чувствительности прибора лампа освещения выключается при восходе солнца.

Тиристор VS1 — КУ101А-КУ101Г, КУ221 с любым буквенным индексом. Транзистор VT1 можно заменить на КТ312А-КТ312В, КТ3102А-КТ3102Ж, КТ342А-КТ342В или аналогичный по электрическим характеристикам.

Коэффициент усиления этого транзистора по току h31e должен быть не менее 40. Реле — любое маломощное, с током срабатывания 15…30 мА при напряжении 12 В. Все постоянные резисторы типа MЛT-0.125. Конденсатор С1 типа КМ. С2 — типа К50-20 на рабочее напряжение более 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.

Литература: Кашкаров А. П. Электронные устройства для уюта и комфорта.

Фотореле для уличного освещения. Схема подключения

Что такое фотореле?

Фотореле — это устройство, снабженное с выносным или встроенным сумеречным датчиком, которое встроено в электрическую цепь для осветительых приборов. Датчик, реагирующий на освещения, подает сигнал на схему реле, замыкая – включая освещение в сумерки и размыкая — выключая освещение в светлое время суток.

Как правильно выбрать фотореле?

Для правильного выбора фотореле, нужно знать какой вид датчика будет удобней использовать в конкретных условиях, выносной или встроенный и обязательно учесть токовые характеристики фотореле. Они, как и во всяком электрическом приборе, имеют ограничение по коммутации тока в амперах.

Принцип работы фотореле

Светочувствительное устройство, постоянно подключенное к электрическому питанию, замеряет уровень естественной освещенности контролируемого пространства. Датчик, реагирующий на освещение, подает сигнал на схему реле, замыкая – включая освещение в сумерки и размыкая — выключая освещение в светлое время суток.

Структурная схема фотореле

В состав сумеречного выключателя могут входить:

• светочувствительный элемент, реагирующий на колебания освещенности;
• датчик фотоэлемента, воспринимающий изменения тока;
• усилитель электрического тока;
• коммутирующий прибор в виде реле.

Схемы фотореле (сумеречный выключатель)

 Схема фотореле с выносным датчиком

Особенности конструкций сумеречных выключателей

Современные простые фотореле для небольших светильников выпускаются в едином пластмассовом корпусе с возможностью крепления на стену или непосредственно на фонарь тыльной стороны.

В случае превышаемой мощности подключаемых через фотореле осветительных приборов коммутировать его в цепь следует через магнитный пускатель или контактор соответствующей нагрузки.

 

Сложные приборы сумеречного освещения выпускаются двумя составляющими (внешнего датчика фотоэлемента и измерительно-коммутационного устройства), расположенных в щитовой и соединяемых проводами.

Монтаж фотодатчика,  реагирующего на движение, выполняется с учетом обеспечения обзора контролируемой территории.

Подключение нескольких осветительных приборов на одну выходную группу сумеречного выключателя проводится по параллельной схеме.

Большинство фотореле, защищены системой помехозащитой (выдержка времени) от ложных срабатываний. Но, все равно, датчики устройства нужно располагать в дали от возможных попаданий посторонних источников света, чтобы исключить эффект мигания ламп.

Фотодатчик замеряет естественную освещенность по одному из принципов:

• фоторезистора;
• фотодиода;
• фототранзистора;
• фототиристора;
• фотосимистора.

Чувствительным элементом, воспринимающим световой поток во всех этих конструкциях работает p-n переход, созданный на стыке двух различных полупроводниковых металлов с р- и n- проводимостью, который .способен вырабатывать электрический заряд при облучении светом.

Электрическое сопротивление фоторезистора зависит от интенсивности падающего светового потока.

Фотодиод формирует электрический заряд, соответствующий интенсивности света за счет фотовольтаического эффекта.

Фототранзистор устроен как оптоэлектронный полупроводник, является аналогом обычного биполярного транзистора, в котором область базы облучается светом для регулирования электрического сигнала.

Фототиристор предназначен для работы в цепях постоянного тока, сконструирован оптоэлектронным полупроводником со структурой обыкновенного тиристора, включаемого в работу током от потока света, направленного на светочувствительную матрицу,.

Фотосимистор сконструирован для работы с переменным током. Его можно представить упрощенной конструкцией из двух фототиристоров. Каждый из них реагирует на положительную или отрицательную составляющую полупериода гармоники. Синхронизацией тока для подачи на управляющий электрод занимается специальная схема.

Технические характеристики фотореле

К основным параметрам, влияющим на выбор сумеречного выключателя, относят:

• номинальное напряжение питания.

Внимание! Электронные приборы, выпускаемые за рубежом, предназначены для работы с напряжениями, стандартизированными в чужих странах. Они могут составлять величину 127 или 110 вольт, что не обеспечит их стабильную работу в электросети 220 вольт.

• мощность потребления электроэнергии и тепловую нагрузку светильников, которую должны надежно выдерживать выходные контакты сумеречного выключателя;
• условия эксплуатации прибора, влияющие на конструкцию и выбор степени защиты корпуса:
  • работа при атмосферных осадках;
  • возможность засорения пылью и посторонними предметами;
  • поддержание температурного режима;
  • светочувствительность датчика и настройки порога срабатывания по освещенности;
  • типы коммутируемых светильников. Простые сумеречные выключатели предназначены для работы с активными нагрузками, создаваемыми разогревом нити накаливания обычных ламп Ильича и галогенных конструкций.
    Все остальные виды, включая люминесцентные и энергосберегающие, создают реактивную составляющую нагрузки.

У метало-галогенных, натриевых и ртутных ламп при запуске создается бросок пускового тока, который может выжечь контакты.

Конструкция фотореле

Элементная база

Первые фотоэлементы создавались исключительно на аналоговых элементах с электромеханическими реле. Такие устройства успешно работают со 2-й половины 20-го века до настоящего времени.

По мере развития науки, послужившей бурному производству робототехники, стали массово выпускаться полупроводниковые устройства, на базе которых создавались конструкции статических фотореле.

 

Освоение микропроцессорной техники позволило управлять сложными осветительными установками посредством контроллеров, учитывающих специфические условия местности, включать датчики, реагирующие на движение или другие факторы.

 

Фотореле с выносным датчиком

 

Сборка цепей датчика освещенности

Фототранзисторы — распространенный тип аналоговых датчиков освещенности, который может помочь автоматически включить свет на крыльце ночью. Думайте о фототранзисторе как об управляемом светом токовом вентиле. Когда свет падает на основание устройства (B), больший ток проходит через вывод коллектора (C) и вытекает через вывод эмиттера (E).

Теперь пришло время собрать и протестировать две схемы фототранзистора, чтобы придать фототранзистору ActivityBot «глаза». Оставьте цепь пьезодинамика на месте.

 

• (2) Фототранзистор (#350-00029)
• (2) Конденсатор 0,01 мкФ (маркировка 103)
• (2) Резистор 220 Ом (красно-красно-коричневый)

 

Соберите схемы датчика освещенности, показанные ниже.

• Убедитесь, что более короткие выводы фототранзистора и плоские точки подключены к земле, как показано на схеме подключения ниже.
• Используйте конденсаторы 0,01 мкФ с маркировкой «103». Конденсаторы в вашем наборе ActivityBot неполярные; не имеет значения, как вы их подключите.
• 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 с внешними кодировщиками (#32500).

Этот тест будет отображать необработанные показания датчика освещенности в окне терминала. Вам понадобится фонарик или лампа, которая ярче, чем общий уровень освещенности в комнате.

Схемы фототранзисторов предназначены для работы в помещении с флуоресцентным освещением или лампами накаливания. Обязательно избегайте попадания прямых солнечных лучей и прямых галогенных ламп; они заливают фототранзисторы слишком большим количеством инфракрасного света.

• В зоне робототехники закройте жалюзи, чтобы не допустить попадания прямых солнечных лучей, и направьте все 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 на доске активности в положение 1.
• Нажмите кнопку «Выполнить один раз».
• Держите руку над одним фототранзистором, а затем над другим, наблюдая за изменением значений в Терминале.

Приведенные выше значения были получены в помещении с верхним флуоресцентным освещением. Обратите внимание, как закрытие левого фототранзистора приводит к увеличению измерения lightLeft.

Несоответствие измерений  
Маловероятно, что ваши два измерения фототранзистора будут точно совпадать. Каждый датчик будет немного отличаться, что является естественной частью производственного процесса, а уровни яркости редко бывают точными в любой среде. Однако, если один дает измерение примерно в 100 раз больше, чем другой, при воздействии того же уровня света, этот фототранзистор, вероятно, подключен наоборот. В этом случае проверьте свою схему и повторите попытку.

 

Взгляните на принципиальную схему P9. Думайте о конденсаторе 0,01 мкФ в цепи как о крошечной батарее, а о фототранзисторе — как о токовой лампе, управляемой светом.

Первый блок в бесконечном цикле повторения — установка PIN 9 в высокий уровень. Этот блок подает ток на конденсаторную батарею, для зарядки которой требуется только пауза 1 (мс). Сразу после этого вывод 9 разряда блока RC меняет вывод P9 ввода-вывода с высокого уровня на вход. В качестве входа P9 переключится с восприятия высокого сигнала на низкий сигнал, когда конденсаторная батарея разряжает свой ток через клапан фототранзистора. Пропеллер измеряет, сколько времени требуется для этого логического перехода, а блок RC сохраняет это время разряда в блоке переменных 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 падает яркий свет, его клапан широко открыт, и ток протекает через него очень быстро, поэтому измеренное время разряда мало. Когда фототранзистор закрыт, его клапан открывается лишь немного, и ток будет стекать медленнее, что приводит 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 — сокращение от Charge Transfer: В этом упражнении каждый фоторезистор используется в схеме переноса заряда или QT. Эта схема позволяет роботу воспринимать гораздо более широкий диапазон уровней освещенности, чем схема аналого-цифрового преобразования, которую вы обычно видите с этим датчиком. Эта схема QT представляет собой простой вариант для 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 нанометров (нм), которые составляют миллиардные доли метра. На рисунке ниже показаны длины волн для цветов света, с которыми мы знакомы, а также для некоторых цветов, которые человеческий глаз не может обнаружить, таких как ультрафиолетовый и инфракрасный. Фототранзистор в вашем комплекте ActivityBot обнаруживает видимый свет, но наиболее чувствителен к длинам волн 850 нм, что находится в инфракрасном диапазоне.

---

Просто ради интереса посмотрим, может ли фототранзистор различать цвета.

• Увеличьте приведенный выше график длины волны цвета.
• Поднесите робота к экрану, поместив один фототранзистор очень близко к цветной полосе.
• Какой цвет дает самое высокое значение? Какие цвета дают самые низкие?

По вашим наблюдениям, как вы думаете, можно ли использовать чистый фототранзистор, подобный этому, в качестве датчика цвета? Почему или почему нет?

 

датчик освещенности / цепь датчика темноты

Описание

Это высокочувствительная, очень интересная и наиболее полезная схема детектора темноты, использующая LDR и компаратор IC LM358. Автоматическое выключение света днем ​​и автоматическое включение ночью. Это очень чувствительная схема LDR темноты, использующая LM 358. Эта схема не использует реле. Нагрузка подключена симистором. Нет мерцания . боковая часть LDR должна быть покрыта черной лентой для защиты от падения света лампы нагрузки, или LDR не должен получать свет выходной лампы нагрузки для работы без мерцания. В этой цепи используется переменное напряжение 220 В, так что это опасная цепь, поэтому будьте осторожны при тестировании. для получения дополнительных схем перейдите на https://www.circuitspedia.com/

дизайн чертеж

схематическая диаграмма

（ 1 / ）

печатная плата

（ 1 / ）

Пустой

ID	Имя	Обозначение	След	Количество
1	1N4007	Д1,Д2,Д3,Д4	ДО-41_БД2. 4-Л4.7-П8.70-Д0.9-РД	4
2	10К	Р3	РЕС-TH_BD2.4-L6.3-P10.30-D0.6	1
3	22К	Р6	РЕС-АДЖ-TH_EVND8AA	1
4	100 мкФ	С2	CAP-TH_BD6.3-P2.50-D1.0-FD	1
5	БТ138	Q2	ТО-220-3_L10.0-W4. 5-P2.54-L	1
6	HDR-M-2.54_1x1	Дж3	HDR-M-2.54_1X1	1
7	РАЗЪЕМ	Дж4, Дж2, Дж5	HDR-M-2.54_1X1	3
8	220	Р5	РЕС-TH_BD2.2-L6.5-P10.50-D0.6	1
9	HDR-M-2.54_1x2	Дж1	HDR-M-2.54_1X2	1
10	220 нФ	С3	CAP-TH_L6. 0-W4.0-P5.00-D1.2	1
11	1000 мкФ	С1	CAP-TH_BD10.0-P5.00-D1.0-FD	1
12	МОС3021	У2	ДИП-6_L8.5-W6.4-P2.54-LS7.6-BL	1
13	510	Р2	РЕС-TH_BD2.2-L6.5-P10.50-D0.6	1
14	БК548Б	Q1	ТО-92-3_Л4. 9-В3.7-П1.27-Л	1
15	КОМПЛЕКТ ФОТОЭЛЕМЕНТА	Р1	КОМПЛЕКТ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ	1
16	ЛМ358Н	У4	ПДИП-8_L10.2-W5.9-P2.54-LS7.6-BL	1

Развернуть

Приложения к проекту

Участники проекта

0

0

Собрать в альбом

Идет загрузка…

Добавить этот проект в альбом?

Разветвленный проект будет установлен как частный в личном рабочем пространстве. Вы продолжаете?

Отправить сообщение bhartiaman

• Складывать

• 我要咨询

  我要咨询

  800821856

服务时间

周一至周五 9:00~18:00

• 0755 — 2382 4495
• 153 6159 2675

服务时间

周一至周五 9:00~18:00

• 立创EDA微信号

  easyeda

• QQ交流群

  664186054

• 立创EDA公众号

  lceda-cn

Датчик освещенности с использованием LDR, фотодиода и фототранзистора

Внешний вид

Введение

Обнаружение света является основной потребностью всего, например, растений, животных и даже устройств. Исследователи устройств работали над методами обнаружения света и разработали устройства, которые обеспечивают превосходную производительность. Свет — это электромагнитное излучение с гораздо более короткой длиной волны и более высокой частотой, чем у радиоволн. Это квантово-механическое явление, происходящее в дискретных частицах, называемых фотонами.

[адсенс1]

Световой датчик — это пассивный датчик, который используется для определения интенсивности света путем изучения лучистой энергии в определенном диапазоне частот. В спектре электромагнитных волн диапазоны частот, которые используются для обнаружения с помощью датчика, находятся в диапазоне от инфракрасного до видимого и до ультрафиолетового.

Датчики света преобразуют световую энергию в форме фотонов в электрическую энергию в форме электронов. Следовательно, их также называют фотодатчиками, фотодетекторами или фотоэлектрическими устройствами.

Датчики света или фотодатчики можно разделить на три типа в зависимости от затрагиваемой физической величины. Основными классами являются фоторезисторы, фотогальванические элементы и фотоизлучатели. Фотоизлучатели генерируют электричество при воздействии света. Фоторезисторы изменяют свои электрические свойства при освещении. На основании вышеперечисленных классов можно провести следующую классификацию устройств.

Фотоэлементы:  Эти типы фотоустройств выпускают свободные электроны из светочувствительных материалов при попадании фотона достаточной энергии. Обычно используемым светочувствительным материалом является цезий. Энергия фотона зависит от длины волны или частоты света.

Уравнение энергии фотона:

E = hc / λ

Здесь

ч — постоянная Планка (h = 6,626 * 10 ^-34 Дж с),

c — скорость света (c = 3 * 10 ⁸ м/с)

λ — длина волны света.

Чем выше частота света, тем выше энергия фотона.

Фотопроводящие элементы: Эти типы фотоустройств изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии света. Распространенным типом фотопроводящего материала является сульфид кадмия (CdS), который используется в фотоэлементах светозависимого резистора. Фотопроводимость в этих ячейках возникает из-за того, что свет попадает на полупроводниковый материал, который контролирует протекание через него тока. Для данного приложенного напряжения, когда интенсивность света увеличивается, ток также увеличивается.

Фотогальванические элементы: Эти типы фотоустройств генерируют потенциал или ЭДС, которые пропорциональны энергии лучистого света. Солнечные элементы являются распространенным типом фотогальванических элементов и используют селен в качестве фотогальванического материала. Они сделаны из двух полупроводниковых материалов, и когда на них падает световая энергия, генерируется напряжение примерно 0,5 В.

[адсенс2]

Фотодиоды переходов: Эти типы фотоустройств, как правило, являются полупроводниковыми устройствами и используют свет для управления потоком электронов или дырок через переходы. Фотодиоды и фототранзисторы являются двумя основными устройствами в этой категории. Они специально разработаны для применения в детекторах.

НАВЕРХ

Светозависимый резистор (LDR)

При воздействии световой энергии фотопроводящий датчик света меняет свои физические свойства. Фоторезистор является распространенным типом фотопроводящего устройства. Фоторезистор представляет собой полупроводниковое устройство, использующее световую энергию для управления потоком электронов и, следовательно, протеканием в них тока.

Наиболее распространенным типом фоторезистора является светочувствительный резистор или LDR. Как следует из названия, светозависимый резистор — это полупроводниковое устройство, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от наличия света. Светозависимый резистор изменяет свое электрическое сопротивление с высокого значения в несколько тысяч Ом в темноте до нескольких сотен Ом, когда на него падает свет, создавая в материале электронно-дырочные пары.

Наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления светочувствительных резисторов, является сульфид кадмия (CdS). Другие материалы, такие как сульфид свинца (PbS), антимонид индия (InSb) или селенид свинца (PbSe), также могут использоваться в качестве полупроводниковой подложки.

Сульфид кадмия используется в фоторезисторах, чувствительных к ближнему инфракрасному и видимому свету. Причина, по которой он используется, заключается в том, что его кривая спектрального отклика очень похожа на кривую человеческого глаза. Им можно управлять с помощью простого источника света, такого как вспышка, а максимальная чувствительная длина волны материала сульфида кадмия составляет от 560 до 600 нм в видимом спектральном диапазоне.

Сульфид кадмия наносится в виде нити на изоляторе в виде зигзагообразной линии, как показано ниже.

Причиной зигзагообразного пути является увеличение темнового сопротивления и, следовательно, уменьшение темнового тока. Эта ячейка заключена в стекло для защиты подложки от загрязнения.

Символ фоторезистора показан ниже.

Наиболее популярным типом фотоэлемента является фотоэлемент ORP12 на основе сульфида кадмия.

Характеристики фотоэлемента типа ORP12 следующие: пиковый спектральный отклик составляет 610 нм, сопротивление в темноте составляет 10 МОм, а сопротивление при освещении составляет 100 Ом.

НАВЕРХ

Светозависимый резистор Сеть делителя напряжения

Светозависимый резистор обычно подключается последовательно с резистором с одним источником постоянного напряжения на нем. Подключение показано ниже.

Преимуществом такого соединения является появление разных напряжений на их стыке для разной силы света. Это соединение является примером сети делителя напряжения или делителя потенциала. Причина в том, что значение сопротивления светозависимого резистора R _LDR определит величину падения напряжения на последовательном резисторе R ₁ .

Ток при последовательном соединении одинаков, и поскольку сопротивление светозависимого резистора изменяется в зависимости от интенсивности света, выходное напряжение будет определяться по формуле делителя напряжения.

Выходное напряжение В _OUT = В _IN * (R ₁ / (R _LDR + R ₁ )).

В отсутствие света сопротивление светозависимого резистора достигает 10 МОм. В присутствии солнечного света сопротивление светозависимого резистора упадет до 100 Ом. Изменение сопротивления светозависимого резистора при разной интенсивности света показано на приведенной ниже кривой.

Светочувствительный переключатель является распространенным применением светозависимого резистора. Схема светозависимого резисторного переключателя показана ниже.

Это схема датчика света с релейным выходом, активирующим переключатель света. Светозависимый резистор R _LDR и резистор R ₁ образуют цепь делителя напряжения. Когда нет света, т.е. в темноте, сопротивление светозависимого резистора порядка мегаом. Напряжение смещения базы равно нулю, а транзистор закрыт.

По мере увеличения интенсивности света сопротивление светозависимого резистора уменьшается, а напряжение смещения увеличивается. В определенный момент, определяемый сетью делителя напряжения, напряжение смещения возрастает достаточно, чтобы открыть транзистор. Это, в свою очередь, активирует реле, которое можно использовать для управления какой-либо другой внешней цепью.

НАВЕРХ

Цепь измерения освещенности с использованием LDR

Чувствительность переключателя LDR довольно низкая. Для повышения чувствительности светочувствительного устройства можно применить несколько модификаций. Постоянный резистор R1 заменен потенциометром VR1. Транзистор заменен операционным усилителем, а фоторезистор включен в мост Уитстона. Ниже показана новая и более чувствительная схема светочувствительного датчика с использованием светозависимого резистора.

Резисторы LDR, VR ₁ , R ₁ и R ₂ образуют мост Уитстона. Стороны моста LDR-VR1 и R1—R2 образуют делитель потенциала с выходными напряжениями V1 и V2. Эти напряжения подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя соответственно. Операционный усилитель работает как дифференциальный усилитель, выход которого зависит от разницы между двумя входными напряжениями V1 и V2. Это также известно как компаратор напряжения с обратной связью. Резистор обратной связи Rf используется для обеспечения требуемого коэффициента усиления по напряжению.

Выход операционного усилителя подключен к реле, которое может управлять внешней цепью. Когда напряжение V1 из-за восприятия света LDR падает ниже напряжения V2, которое действует как опорное напряжение, выход усилителя меняет свое состояние. Это приводит к срабатыванию реле и включению нагрузки.

При увеличении интенсивности света выход переключается обратно и реле выключается.

Здесь реле включается, когда интенсивность света меньше. Операцию можно отменить, поменяв местами светочувствительный резистор и потенциометр. Теперь реле включается, когда уровень освещенности увеличивается и превышает уровень, установленный опорным напряжением.

НАВЕРХ

Фотодиод

Фотодиод относится к классу устройств с фотопереходом, который представляет собой датчик света с PN-переходом. Обычно они изготавливаются из полупроводниковых PN-переходов и чувствительны к видимому и инфракрасному свету. Когда свет падает на фотодиод, электроны и дырки разделяются, что позволяет переходу проводить ток.

Фотодиоды сконструированы так же, как и любые другие обычные диоды с переходом. Типичный фотодиод показан ниже.

Непрозрачное покрытие, используемое в сигнальных и выпрямительных диодах, отсутствует в фотодиодах. Это делает диод достаточно прозрачным, чтобы пропускать свет и влиять на проводимость перехода.

Символ фотодиода показан ниже.

НАВЕРХ

Принцип действия

Фотодиод смещен против легкого протекания тока, т. е. смещен в обратном направлении, так что ток утечки очень мал. Если фотон достаточной энергии падает на диод в его соединении, электрон освобождается, и если он обладает достаточной энергией, он может пройти через энергетический барьер, вызывая небольшой ток утечки. Количество тока пропорционально количеству освещения перехода.

НАВЕРХ

Характеристики фотодиода

В отсутствие света вольтамперная характеристика фотодиода аналогична характеристике обычного диода. Подобно обычному диоду, при прямом смещении фотодиода происходит экспоненциальное увеличение тока. Когда он смещен в обратном направлении, появляется небольшой ток утечки, называемый обратным током насыщения, который вызывает увеличение области обеднения.

Когда в качестве датчика освещенности используется фотодиод, для диодов германиевого типа темновой ток составляет около 10 мкА, а для диодов кремниевого типа — 1 мкА. Темновой ток – это ток, когда интенсивность света равна 0 люкс.

НАВЕРХ

Обнаружение света с помощью фотодиода

Фотодиод может работать и смещаться в двух режимах: фотогальванический режим и фотопроводящий режим.

В фотогальваническом режиме фотодиод подключается к предварительному усилителю виртуального заземления. Схема показана ниже.

При падении фотонов генерируется напряжение, которое усиливается операционным усилителем. Помимо термически генерируемого тока, основной ток утечки отсутствует, поскольку на диоде отсутствует смещение постоянного тока.

Аналогичная схема, которая преобразует ток, генерируемый светом, в напряжение и усиливается операционным усилителем, показана ниже.

В этих схемах используется характеристика операционного усилителя, в котором две входные клеммы находятся под нулевым напряжением для работы диода без смещения постоянного тока. Такая конфигурация операционного усилителя обеспечивает высокую импедансную нагрузку фотодиода, что приводит к более широкому диапазону тока относительно интенсивности падающего света.

В фотопроводящем режиме фотодиод смещен по постоянному току, и ток, протекающий через диод из-за смещения постоянного тока, а также восприятие света преобразуется в напряжение с помощью резистора и усиливается операционным усилителем. Этот подход расширяет область истощения, поскольку приложенное смещение уменьшает емкость фотодиода.

Схема фотодиода в фотопроводящем режиме показана ниже.

Конденсатор используется для установки выходной полосы пропускания как 1 / (2πR _F C _F ), а также предотвращает колебания. Однако есть задержка RC, так как конденсатор должен заряжаться.

НАВЕРХ

Фототранзистор

В дополнение к созданию фотопереходных устройств из диодов можно сконструировать датчик света из транзисторов. Образно говоря, фототранзистор представляет собой комбинацию фотодиода и усилительного транзистора.

Изображение фототранзистора с фотодиодом и транзистором показано ниже.

Символ фототранзистора показан ниже.

В фототранзисторе переход коллектор-база действует как фотодиод. Переход коллектор-база смещается в обратном направлении, подвергая его воздействию источника света. Ток в этом переходе усиливается за счет нормальной работы транзистора, и, следовательно, ток коллектора велик.

НАВЕРХ

Принцип работы

Работа фототранзистора аналогична работе фотодиода. Дополнительными преимуществами являются то, что они могут обеспечить большой ток коллектора и более чувствительны, чем фотодиоды. Токи в фототранзисторах в 50-100 раз больше, чем в случае фотодиода. Подключив фотодиод между выводами коллектора и базы обычного транзистора, его можно преобразовать в фототранзистор.

НАВЕРХ

Характеристики фототранзистора

Фототранзисторы в основном представляют собой NPN-транзисторы с большой базовой клеммой, электрически изолированной или несвязанной. Для управления чувствительностью некоторые фототранзисторы допускают подключение базы. Если используется базовое соединение, то при попадании фотонов на поверхность генерируется базовый ток, который вызывает протекание тока между коллектором и эмиттером.

Для достижения обратного смещения на переходе коллектор-база коллектор находится под более высоким потенциалом по отношению к эмиттеру. В отсутствие света протекает небольшое количество нормального тока утечки. При наличии света на базовой клемме количество электронно-дырочных пар в этой области увеличивается, а производимый ток усиливается работой транзистора.

Зависимость между интенсивностью света, током и выходным напряжением показана ниже.

НАВЕРХ

Датчик света с помощью фототранзистора

Ниже показана простая схема, используемая для восприятия света с использованием фототранзистора.

Чувствительность фототранзистора зависит от коэффициента усиления транзистора по постоянному току. Следовательно, общая чувствительность, зависящая от тока коллектора, может регулироваться сопротивлением между эмиттером и базой.