Схема датчика света. Датчики освещенности: типы, схемы подключения и применение

Как работает датчик освещенности. Какие бывают виды датчиков света. Как подключить датчик освещенности своими руками. Где применяются датчики света в быту и промышленности.

Принцип работы датчика освещенности

Датчик освещенности (также называемый фотодатчиком или датчиком света) — это устройство, которое реагирует на изменение интенсивности светового потока и преобразует его в электрический сигнал. Основным компонентом такого датчика является светочувствительный элемент.

В качестве светочувствительного элемента чаще всего используются:

• Фоторезисторы — их сопротивление уменьшается при увеличении освещенности
• Фотодиоды — генерируют электрический ток под воздействием света
• Фототранзисторы — усиливают фототок, возникающий в базе транзистора

Принцип работы датчика освещенности на основе фоторезистора заключается в следующем:

1. При попадании света на фоторезистор его сопротивление уменьшается
2. Это приводит к изменению напряжения в электрической цепи датчика
3. Изменение напряжения регистрируется электронной схемой
4. Схема формирует выходной сигнал датчика (аналоговый или цифровой)

Основные типы датчиков освещенности

По принципу действия различают следующие основные типы датчиков освещенности:

1. Резистивные датчики (фоторезисторы)

Принцип работы основан на изменении сопротивления полупроводника под действием света. Преимущества: простота, низкая стоимость. Недостатки: нелинейная характеристика, зависимость от температуры.

2. Фотодиодные датчики

Используют p-n переход, генерирующий ток при освещении. Достоинства: линейность, быстродействие, широкий диапазон. Минусы: необходимость усиления сигнала.

3. Фототранзисторные датчики

Объединяют фотодиод и транзистор в одном корпусе. Плюсы: высокая чувствительность, встроенное усиление. Недостатки: нелинейность, температурная зависимость.

4. Фотоэмиссионные датчики (фотоумножители)

Работают на основе внешнего фотоэффекта. Преимущества: сверхвысокая чувствительность. Минусы: хрупкость, высокая стоимость.

Схемы подключения датчиков освещенности

Рассмотрим типовые схемы подключения наиболее распространенных датчиков света — фоторезисторов и фотодиодов.

Схема с фоторезистором

Простейшая схема датчика освещенности на фоторезисторе выглядит следующим образом:

• Фоторезистор и обычный резистор образуют делитель напряжения
• При изменении освещенности меняется сопротивление фоторезистора
• Это приводит к изменению напряжения в средней точке делителя
• Напряжение подается на вход компаратора или микроконтроллера

Схема с фотодиодом

Типовая схема включения фотодиода в качестве датчика освещенности:

• Фотодиод включается в обратном направлении
• Последовательно с ним включается нагрузочный резистор
• При освещении через фотодиод начинает протекать ток
• На резисторе возникает падение напряжения, пропорциональное освещенности
• Это напряжение усиливается и обрабатывается

Как сделать датчик освещенности своими руками

Простейший датчик освещенности можно собрать самостоятельно, используя следующие компоненты:

• Фоторезистор
• Резистор 10-100 кОм
• Транзистор BC547 или аналогичный
• Светодиод
• Макетная плата
• Источник питания 5-12В

Порядок сборки:

1. Подключите фоторезистор и обычный резистор последовательно между плюсом и минусом питания
2. Соедините среднюю точку с базой транзистора
3. Подключите светодиод к коллектору транзистора через токоограничивающий резистор
4. Эмиттер транзистора соедините с минусом питания

При уменьшении освещенности сопротивление фоторезистора возрастет, транзистор откроется и включит светодиод.

Где применяются датчики освещенности

Датчики освещенности нашли широкое применение в различных сферах:

В быту:

• Автоматическое управление освещением
• Регулировка яркости экранов электронных устройств
• Системы «умный дом»
• Датчики движения

В промышленности:

• Контроль качества продукции
• Сортировка деталей по цвету
• Обнаружение дыма и пламени
• Измерение прозрачности жидкостей и газов

В сельском хозяйстве:

• Управление освещением в теплицах
• Автоматический полив растений
• Сортировка сельхозпродукции

Преимущества и недостатки датчиков освещенности

Рассмотрим основные плюсы и минусы использования датчиков света:

Преимущества:

• Простота конструкции и низкая стоимость
• Широкий диапазон измерения освещенности
• Возможность работы в сложных условиях
• Высокая надежность и долговечность

Недостатки:

• Зависимость характеристик от температуры
• Нелинейность выходной характеристики
• Ограниченное быстродействие
• Чувствительность к электромагнитным помехам

Выбор датчика освещенности для конкретной задачи

При выборе датчика света следует учитывать следующие факторы:

• Требуемый диапазон измерения освещенности
• Необходимая точность измерений
• Быстродействие датчика
• Условия эксплуатации (температура, влажность и т.д.)
• Тип выходного сигнала (аналоговый, цифровой)
• Стоимость и доступность

Для большинства бытовых применений подойдут простые фоторезисторные датчики. В промышленности часто используют более точные фотодиодные и фототранзисторные датчики.

Калибровка и настройка датчиков освещенности

Для повышения точности измерений датчики освещенности необходимо правильно калибровать:

1. Определите диапазон освещенности, в котором будет работать датчик
2. Измерьте выходной сигнал датчика при минимальной и максимальной освещенности
3. Постройте калибровочную кривую, связывающую выходной сигнал и освещенность
4. Настройте пороги срабатывания в соответствии с калибровочной кривой
5. Периодически проверяйте калибровку и при необходимости корректируйте

Правильная калибровка позволяет компенсировать нелинейность датчика и повысить точность измерений.

§ 62. Датчики света и темноты

Главная сайта | В меню | § 62. Датчики света и темноты

Подумайте, где могут использоваться датчики света и темноты.

Какие роботы могут иметь такие датчики?

Датчик света — устройство, включающее или выключающее различные исполнительные механизмы в зависимости от освещённости окружающей среды. Познакомимся сначала с новыми элементами цепи, которые используются в датчиках света.

Фоторезистор (рис. 9.24) — это компонент электрической цепи, который может изменять своё сопротивление в зависимости от степени освещенности.

Рис. 9.24. Фоторезистор:
а — обозначение на схеме; б — внешний вид

В отсутствии освещения сопротивление фоторезистора очень большое, порядка 10 кОм. А при освещении ярким солнечным светом или обычной лампочкой сопротивление фоторезистора уменьшится в 10—20 раз.

Транзистор (рис. 9.25) — это компонент электрической цепи, который используется для усиления, генерирования и преобразования электрического сигнала. Во многих датчиках транзисторы используются для управления электрическим током в цепи. У транзистора в отличие от резистора и светодиода имеется три вывода. Они называются коллектор, эмиттер и база.

Рис. 9.25. Транзистор:
а — обозначение на схеме; б — внешний вид

Фоторсзистор является основной частью датчика света, схема которого представлена на рисунке 9.26. Фоторезистор R1 реагирует на свет. При наличии дневного или комнатного освещения сопротивление фоторезистора составляет примерно 1 кОм. Это создаёт возможность протекания электрического тока через транзистор. В этом случае светодиод начинает светиться. При отсутствии освещения сопротивление фоторезистора увеличивается до 10 кОм. Электрический ток через транзистор не протекает. Светодиод не светится.

Чтобы настроить выключение света при определённой освещённости, необходимо установить порог срабатывания датчика. Прохождение электрического тока через транзистор регулируется резистором R2. Поэтому необходимый порог срабатывания датчика устанавливается подбором сопротивления этого резистора.

Датчик темноты часто бывает более полезным в быту, чем датчик света. Он может, например, автоматически зажигать освещение, когда темнеет на улице.

Датчик темноты отличается от датчика света обратным порядком работы, т. е. при наличии освещённости светодиод этого датчика не горит, а при затемнении датчика светодиод включается.

Для такой работы датчика необходимо на схеме, собранной для датчика света (см. рис. 9.26), изменить подключение фоторезистора и резистора, отвечающего за режим работы транзистора (рис. 9.27).

Рис. 9.26. Схема датчика света

Рис. 9.27. Схема датчика темноты

Практическая работа № 42

«Сборка датчиков света и темноты»

Цель работы: изучить устройство и работу датчиков света и темноты.

Оборудование и материалы: макетная плата, батарейки, транзистор, резисторы, фоторсзистор, фотодиод, перемычки.

Порядок выполнения работы

Задание 1

Соберите датчик света по схеме, представленной на рисунке 9.26.

1. Установите транзистор на макетную плату. Ножки транзистора нужно установить на макетную плату таким образом, чтобы они находились на разных вертикальных линиях (рис. 9.28, а).

2. Соедините перемычкой эмиттер транзистора (правая ножка) с минусом батареи (рис. 9.28, б).

Рис. 9.28. Сборка электрической цепи датчика света:
а — установка транзистора; б — подключение транзистора; в — подключение светодиода и резистора R3; г — подключение фоторезистора и резистора R2; д — соединение цепи

3. К коллектору транзистора (левая ножка) подключите светодиод и резистор RЗ. При сборке цепи нельзя забывать о соблюдении полярности светодиода: катод светодиода (короткая ножка) присоединяют к коллектору транзистора, а анод — к резистору R3 (рис. 9.28, в).

4. Установите фоторезистор и резистор R2 и проволочной перемычкой соедините резистор R2 с минусом батареи (рис.

9.28, г).

5. Соедините среднюю точку между фоторезистором и резистором и базу транзистора (рис. 9.28, д).

6. Проверьте работоспособность датчика света. Для этого включите схему нажатием кнопки на батарейном адаптере. При наличии освещения светодиод на макетной схеме должен сразу начать светиться. Если закрыть фоторезистор рукой или другим предметом так, чтобы исключить попадание света, то светодиод погаснет.

Задание 2

Соберите датчик темноты по схеме, представленной на рисунке 9.27, и проверьте его работу.

Основные понятия и термины:

фоторезистор, транзистор, датчик света, датчик темноты, порог срабатывания.

Вопросы и задания:

1. Как работает фоторезистор?

2. Для чего в схемах датчиков используется транзистор?

3. Что делать, если при правильной сборке датчика темноты светодиод не реагирует на изменение освещённости?

Задание 1

Предложите несколько вариантов использования датчиков освещённости в быту.

Задание 2

Используя Интернет и другие источники информации, подготовьте сообщение об областях применения электрических, магнитных и электромагнитных систем.

Идеи творческих проектов

Идея 1. Модель солнечной элсктространции с преобразователем выходного напряжения.

Идея 2. Модель ветроэлектростанции с преобразователем выходного напряжения.

Идея 3. Модель «Умного дома» с дистанционным управлением.

Датчик освещённости своими руками | KAVMASTER

В этой статье будет рассмотрена схема и пошаговая сборка датчика освещенности, который может пригодиться в быту или хозяйстве. Схема датчика освещенности очень проста, есть печатная плата и подробное описание.

Датчик освещённости может пригодиться например для контроля освещения в закрытой теплице, когда нужно автоматически включать или выключать свет, ориентируясь на время суток. Например если на улице ночь, то и в теплице свет гореть не будет, если на улице день, то свет соответственно включается.  

Это устройство регистрирует интенсивность попадающего на него солнечного света. Когда света будет много, т.е. взойдёт солнце, на выходе установится лог. 1. Когда день подойдёт к концу, солнце уйдёт за горизонт, на выходе будет лог. 0, лампы освещения выключатся до следующего утра. Вообще, область применения датчика освещённости весьма широка и ограничивается лишь фантазией собравшего его человека. Нередко такие датчики используются для подсветки шкафа при открытии дверцы.

Схема датчика освещённости

Ключевое звено схемы – фоторезистор (R4). Чем больше света на него попадает, тем сильнее уменьшается его сопротивление. Можно применить любой фоторезистор, какие получится найти, ведь это достаточно дефицитная деталь. Импортные фоторезисторы компактные, но стоят порой весьма существенно. Примеры импортных фоторезисторов — VT93N1, GL5516. Можно применить также отечественные, например, ФСД-1, СФ2-1. Они стоят куда меньше, но также будут неплохо работать в этой схеме.  

Если достать фоторезистор не удалось, а сделать датчик освещённости очень хочется, то можно поступить следующим образом. Взять старый, желательно германиевый транзистор в круглом металлическом корпусе и спилить его верхушку, оголив тем самым кристалл транзистора. На фото ниже показан как раз такой транзистор со спиленной крышкой.

Очень важно при этом не повредить сам кристалл, отрывая крышку. Подойдут практически любые транзисторы в таком круглом корпусе, особенно хорошо будут работать советские германиевые, например, МП16, МП101, МП14, П29, П27. Т.к. теперь кристалл такого «модифицированного» транзистора открыт, сопротивление перехода К-Э будет зависеть от интенсивности света, попадающего на кристалл. Вместо фоторезистора впаиваются коллектор и эмиттер транзистора, вывод базы просто откусывается. 

В схеме используется операционный усилитель, можно применить любой одинарный, подходящий по цоколёвке. Например, широкодоступные TL071, TL081. Транзистор в схеме – любой маломощный структуры NPN, подходят BC547, КТ3102, КТ503. Он коммутирует нагрузку, которой может служить как реле, так и небольшой отрезок светодиодной ленты, например. Мощную нагрузку желательно подключать с использованием реле, диод D1 стоит в схеме для гашения импульсов самоиндукции обмотки реле. Нагрузка подключается к выходу, обозначенному OUT. Напряжение питания схемы – 12 вольт.

Номинал подстроечного резистора в этой схеме зависит от выбора фоторезистора. Если фоторезистор имеет среднее сопротивление, например, 50 кОм – то подстроечный должен иметь в два-три раза большее сопротивление, т.е. 100-150 кОм. Мой фоторезистор СФД-1 имеет сопротивление более 2 МОм, поэтому и подстроечный я взял на 5 МОм. Существуют и более низкоомные фоторезисторы.

Сборка датчика освещённости

Итак, перейдём от слов к делу – в первую очередь нужно изготовить печатную плату. Для этого существует ЛУТ метод, которым я и пользуюсь.

Файл с печатной платой к статье прилагается, отзеркаливать перед печатью не нужно.

Скачать печатную плату:

Скачать печатную плату датчика освещенности

 

Плата рассчитана на установку отечественного фоторезистора ФСД-1 и подстроечного резистора типа CA14NV. Несколько фотографий процесса:

Теперь можно впаивать детали. Сначала устанавливаются резисторы, диод, затем всё остальное.

В последнюю очередь впаиваются самые крупные детали – фотодиод и подстроечный резистор, провода для удобства можно вывести через клеммники. После завершения пайки обязательно нужно удалить с платы флюс, проверить правильность монтажа, прозвонить соседние дорожки на замыкание. Только после этого можно подавать на плату питание.

Настройка датчика

При первом включении светодиод на плате либо будет светится, либо будет полностью погашен. Аккуратно вращаем подстроечный резистор – в каком-то его положении светодиод сменит своё состояние. Нужно установить подстроечный резистор на эту грань между двумя положениями, и закрывая или наоборот засвечивая фоторезистор добиться нужного порога срабатывания.

Как работает датчик освещённости видео

Регулируемая чувствительность в цепи датчика освещенности

спросил 1 год, 6 месяцев назад

Изменено 1 год, 6 месяцев назад

Просмотрено 222 раза

\$\начало группы\$

Я разработал следующую схему для обнаружения света и темноты, и она работает нормально. Я хочу иметь возможность настроить оба светодиода так, чтобы они выключались при определенной светочувствительности и включались только тогда, когда обнаруживаемый свет отклоняется от этой конкретной чувствительности. Есть идеи, как это сделать?

• датчик
• свет

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Я хочу, чтобы оба светодиода выключались при определенной светочувствительности и включались только тогда, когда обнаруживаемый свет отклоняется от этой конкретной светочувствительности.

Кажется, под «чувствительностью» вы подразумеваете сопротивление LDR.

Обычный способ действия на основе сопротивления LDR — использование компаратора или операционного усилителя:

• Сопротивление LDR преобразуется в напряжение с помощью резистивного делителя
• напряжение сравнивается с помощью операционного усилителя или компаратора с другим заданным напряжением
• выходной сигнал компаратора будет высоким или низким и может использоваться для включения/выключения светодиода или в качестве входа в другой компонент принятия решений

Пример такой схемы показан здесь:

https://www.petervis.com/Education/ldr-op-amp-circuit/ldr-op-amp-circuit.html

и поиск по запросу «LDR comparator» выдаст больше.

Кажется, вы хотите предпринять какие-то действия, когда сопротивление LDR заметно отличается от определенного заданного значения. Стандартный способ сделать это — использовать схему оконного компаратора. Это способ предпринять действие, когда напряжение находится в пределах определенного диапазона. Его также можно использовать для обнаружения выхода напряжения за пределы определенного диапазона. Поиск в Интернете по слову «оконный компаратор» даст вам множество схем и пояснений.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Вот еще один ответ, основанный на этой альтернативной интерпретации вашего вопроса:

Ваша схема имеет два светодиода. Вы хотите удалить эти светодиоды и включить новый светодиод, когда в исходной цепи будет гореть либо светодиод 1, либо светодиод 2. То есть вы хотите определить, когда любой из транзисторов включен.

Идея состоит в том, чтобы использовать только резисторы на коллекторах транзисторов вот так:

^{смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab}

Если либо Q1, либо Q2 включены, то PNP-транзистор Q3 будет включен, вызывая протекание тока через светодиод.

Если и Q1, и Q2 выключены, Q3 также будет выключен.

Ваш подход к этой проблеме немного сбивает с толку, потому что в реальном продукте вы не будете использовать два LDR для обнаружения одного и того же источника света. Сами LDR сильно различаются в работе — даже два, сделанных одним и тем же производителем, могут дать очень разные результаты от одного и того же источника света. Более того, сопротивление LDR сильно зависит от того, как именно свет падает на датчик, поэтому получить два одинаковых показания практически невозможно.

С одним LDR обычно используется подход операционного усилителя/компаратора, и вы можете очень легко определить, является ли сопротивление больше, меньше или находится между определенным диапазоном.

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя адрес электронной почты и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

Схема датчика света и детектора темноты с использованием LDR и транзистора

Видеоруководство

Учебное пособие о том, как сделать схему датчика освещенности / детектора темноты на макетной плате с использованием LDR и транзистора. Эту схему можно использовать для автоматического управления и включения-выключения освещения или любых нагрузок в зависимости от яркости окружающего освещения, добавив реле на выходе. Чувствительность, также известная как яркость, при которой схема включает нагрузку, также можно регулировать с помощью потенциометра. Посмотрите видео выше для получения подробных пошаговых инструкций о том, как построить эту схему. Объяснение того, как работает схема, также включено в видео.

[Схемы цепи датчика освещенности и цепи датчика темноты приведены в конце этой статьи]

Требуемые компоненты:

1. 1 LDR (светозависимый резистор или фоторезистор) 
2. 1 npn транзистор (я использовал BC547)
3. Резисторы: 470R, 1K (для датчика освещенности), 47K (для датчика темноты)
4. Потенциометр (только если вам нужна регулируемая чувствительность): 10K (для датчика освещенности), 100K (для датчика темноты)
5. Макет
6. Источник питания: (3-12) В
7. Несколько разъемов для макетной платы

Объяснение работы схемы:

[Посмотрите видео в начале этого поста для лучшего визуального понимания]

Чувствительным компонентом в этой схеме является фоторезистор (сокращенно от Light Dependent Resistor или Photo-Resistor). Сопротивление LDR зависит от интенсивности или яркости падающего на него света и имеет обратно пропорциональную зависимость. Это означает, что при увеличении интенсивности света сопротивление LDR уменьшается, и наоборот.

Вы можете визуально наблюдать этот эффект, подключив LDR последовательно со светодиодом и включив питание схемы. Теперь, если вы уменьшите яркость окружающего света, сопротивление LDR увеличится, что приведет к меньшему току, протекающему по цепи (помните: чем больше сопротивление, тем меньше ток), и поэтому вы заметите, что яркость светодиода уменьшается. Прямо противоположное происходит, когда вы увеличиваете яркость окружающего света.

Несмотря на то, что последовательное соединение LDR и светодиода выполнить проще всего, оно имеет некоторые ограничения. Вот некоторые из них: вы не можете контролировать яркость, при которой светодиод точно включается или выключается. Кроме того, практически мы хотели бы, чтобы светодиод включался, когда темно, и выключался, когда света достаточно. Максимальная нагрузка, которую может выдержать схема, также ограничена. Вот по этим причинам мы и переходим к более функциональной схеме с использованием транзистора.

[Посмотрите на принципиальную схему ниже]

Некоторые основы работы с транзисторами: Для npn-транзистора эмиттер и коллектор имеют n-переход, а база — p-переход. Чтобы транзистор включился или пропустил ток от коллектора к эмиттеру, напряжение на базе должно быть выше определенного порогового напряжения.

Мы использовали резистор, включенный последовательно с LDR (по сути делитель напряжения), чтобы преобразовать изменение сопротивления LDR в изменение напряжения. Это изменение напряжения в общей точке между LDR и резистором используется для запуска транзистора путем подключения его к базе транзистора.

В цепи датчика освещенности (первая диаграмма) при увеличении яркости света сопротивление LDR уменьшается, и, таким образом, увеличивается напряжение на базе транзистора (поскольку, если сопротивление LDR уменьшается, падение напряжения (разрыв) на LDR в сторону положительная сторона уменьшается).