Жизнь для человека становится с каждым днем комфортнее. Появляются новые изобретения, устройства, выполняющие работу без человека. Таким устройством служит простейшее фотореле. Его покупают в магазине, сделать фотореле своими руками – экономнее и интереснее. Под руками всегда найдутся нужные инструменты и детали.
Соберем фотореле своими руками.
Я купил полевой транзистор. Эту схему я применял для подсветки гаража. Работает уже около двух месяцев, проблем нет. Работает от одного аккумулятора, через , повышающий. Использую два аккумулятора, припаял их к DC преобразователю, выставил на нем 12 вольт. На выходе сейчас 12 вольт, подключаем светодиодную ленту, она загорается.
Переходим к схеме фотореле. Сделаем чтобы работала светодиодная лента, мы выключаем свет. А когда включаем, она будет гаснуть.
Как собрать схему, которая будет работать? Никаких заумных схем из радиоэлектроники мы использовать не будем, так как в них ничего не понятно. Мы будем использовать свою схему фотореле, более понятную каждому человеку.
Схема фотореле состоит из транзистора, блока питания, резистора (сопротивления), светодиодная лента и фоторезистор. Берем транзистор и подписываем его ножки. Крайняя левая ножка – это затвор, крайняя правая – это исток, средняя – сток. Откладываем транзистор в сторону. Наш фоторезистор подключается к затвору и к истоку. Минусовой провод от светодиодной ленты подключается на исток, плюсовой провод ленты подсоединяем на резистор. Плюсовой провод также идет с блока питания на резистор. То есть, к резистору будут подключаться два провода: от светодиодной ленты и от блока питания плюсовые.
Далее, провод от резистора провод идет на затвор транзистора. То есть, к затвору транзистора будут подходить провод от фоторезистора, от резистора (два провода). Минусовой провод от блока питания мы подключаем к истоку. Это схема для работы подсветки в темноте, а при включении света отключалась.
Давайте ее соберем и посмотрим, как она работает. Берем транзистор, фоторезистор, припаиваем к ножкам паяльником. Берем резистор на несколько килоом. Его размер особо не важен, так как его нужно подбирать под себя. Можно поставить больше или меньше, будет меняться чувствительность датчика. В зависимости от освещения и сопротивления резистора у нас будет загораться подсветка. Берем светодиодную ленту, минусовой провод припаиваем к стоку, то есть, к средней ножке. Припаиваем плюсовой провод к резистору к другому его концу.
Такой вид нашего промежуточного итога сборки схемы фотореле своими руками:
Мы припаяли фоторезистор к крайним ножкам транзистора. Минусовой контакт от светодиодной ленты припаяли к средней ножке. Плюсовой контакт через резистор припаяли к левой крайней ножке (затвору).
Берем блок питания, минусовой контакт, припаиваем его к крайней правой ножке (истоку). Плюсовой контакт от блока питания мы припаиваем к резистору, туда же, куда припаяли плюсовой контакт от светодиодной ленты. Такая схема у вас должна получиться, по ранее нарисованной схеме.
Проверим работу схемы фотореле своими руками. Закрываем фоторезистор, загорается подсветка. Эта схема элементарная, очень дешевая. Радиодетали стоят сущие копейки.
Сфера применения фотореле.
Этот прибор используется в различные периоды суток, на садовом участке. С помощью него открывают жалюзи, охраняют дом.
Схема фотореле.
Схема фотореле включает в себя два транзистора, сопротивление, диод, фоторезистор. Транзистор применяется КТ315Б, который включен как составной. Нагрузка у него – обмотка реле. Это дает усиление входа, позволяющее включение со значительным сопротивлением.
При повышении света на фоторезистор, который включен между базой 1-го транзистора, открывается 1-й транзистор и №2. Появляется ток коллектора 2-го транзистора, реле срабатывает, контакты замыкаются, и подключают нагрузку. Так работает механизм действия прибора.
Чтобы защитить схему от электродвижущей силы индукции во время выключения реле подключен диод КД522. Чтобы настроить нужную чувствительность 1-го транзистора подключается транзистор с номинальным сопротивлением 10 килоом.
Фотореле служит для освещения, помещений, домов. Схема зависит от множества выводов к нагрузкам.
В электрическом щите ставят автоматические выключатели от замыкания и перегрузок.
Источником питания такого реле производится от постоянного тока от 5 до 15 вольт. Если источник напряжения рассчитан на 6 вольт, то применяется фотореле РЭС-9.
Чтобы спаять схему, лучше сделать плату. На плате закрепить корпус, детали, просверлить отверстия, сделать путем пайки.
Для настройки реле нужно зайти в темную комнату, где можно включать свет. Подбирается нужный порог включения света резистором переменной величины. Вместо него ставят постоянный резистор.
Метод сборки фотореле.
Сложными приборами делают фотореле своими руками из трех составляющих. Таким прибором является со встроенным в него , ток которого 4 ампера, напряжение 600 вольт. Схема состоит из Q6004LT, резистора, фоторезистора. Напряжение – 220 вольт. На свету фоторезистор дает небольшое сопротивление. На электроде управления существует маленькое напряжение. Ток на нагрузку не идет. При затухании света фоторезистор дает увеличение сопротивления, импульсы повышаются. Когда напряжение достигнет 40 вольт, симистор открывается, свет включается.
Настраивается схема резистором. Первое сопротивления равно 47 килоом. Оно подбирается от освещенности и фоторезистора. Марка фоторезистора может быть любой.
Прибор Q6004LT позволяет подсоединять к реле мощность 0,5 кВт и более, с дополнительным охлаждением. Существуют приборы и с более мощными характеристиками.
Достоинством такой схемы реле является небольшое количество радиодеталей, нет необходимости подключать блок питания, можно использовать нагрузку большой мощности.
Установка такой схемы не сложная, так как включает в себя мало элементов. Настраивание также не представляет сложности, и состоит в том, чтобы установить ступень сработки включения схемы освещения.
Выводы:
- Во многих системах регулирования применяется фотореле.
- Имеется множество схем и систем фотореле с датчиками: фототранзисторами, фотодиодами, фоторезисторами.
- Самому своими руками можно сделать схемы фотореле с наименьшим количеством элементов.
Ремонт фотореле IEK ФР-602.
Предварительно разбираем корпус, производим ремонт фотореле. Реле срабатывает в зависимости от освещенности, и должно включаться освещение. У нас не работает фотореле. Внутри корпуса схема на фото:
Два проводка я подпаял сам, нашел неисправный элемент. Это на 24 вольта. Он оказался пробит в обоих направлениях. Это можно проверить мультитестером.
Когда я выпаял стабилитрон, начал разбираться со схемой. Пытался включить лампочку, без стабилитрона. Там есть датчик, который реагирует на свет. Мы его прикрываем, лампочка загорается. Далее, когда открываем датчик света, то ничего не происходит, так как стабилитрон пробит, не работает фотореле. Будем менять стабилитрон. Так как росло напряжение в точке стабилитрона, где стоит конденсатор на 100 мкФ на 50 вольт. Этот конденсатор я тоже решил заменить. Напряжение росло больше, чем на 50 вольт. Если темно, то напряжение падает в этой точке до 18 вольт, а если светло, то поднимается до 80-90 вольт. Стабилитрон должен был стабилизировать это напряжение. Поэтому конденсатор нагрелся и раздулся.
Чтобы в будущем не иметь различных сюрпризов, все перепаяем. Выпаяем конденсатор, не путаем полярность. Минус обозначен белой штриховкой. Впаиваем новый конденсатор. Стоимость ремонта фотореле составляет пока 10 рублей. Поэтому, ремонтировать стоит. Конденсатор, на котором поднималось напряжение выше номинального, заменен. Далее, прозвоним новый стабилитрон на исправность. В одну сторону он открывается, у него есть сопротивление. В другую сторону не открывается, то есть, прозванивается как диод. Он на 24 вольта.
На схеме стабилитрон обозначается как Z1. На плате видна слегка подгоревшая площадка стабилитрона. Он грелся. У стабилитрона есть черная полоска. Припаиваем ей к белой риске на плате. Вместо нагрузки у нас подключена лампочка для проверки работоспособности фотореле. А также, посмотрим, какой напряжение в точке стабилитрона при низкой освещенности и при хорошем свете. Откусываем ножки, которые не нужны. Подключена вилка, которая втыкается в розетку. Проверяем правильность припайки проводов. На мультиметре ставим напряжение на 200 вольт. Закрываем датчик от света, нагрузка (лампочка) включилась. Открываем датчик, становится светло, лампа отключилась. Схема работает.
Теперь проверим тестером, что происходит с напряжением. При открытом датчике мультитестер показывает 26 вольт. При закрытом датчике напряжение падает до нуля, включается лампа, напряжение 18 вольт. При свете напряжение опять растет, достигает 26 вольт, и срабатывает стабилитрон. Остается собрать все детали в корпус, и ремонт фотореле закончен. Есть схема фотореле в Интернете.
Простое фотореле.
Его можно использовать для подсвечивания DVD. Есть два типа схемы. В одном включение активируется светом, а в другом – темнотой. Когда свет светит на фотодиод, то открывается транзистор и загорается светодиод №2. Резистором подстраиваем чувствительность. Фотодиод можно использовать от компьютерной мышки. можно взять любой инфракрасный. Из-за его применения не будет помех от света. Вместо светодиода №2 – любой или несколько светодиодов. Можно даже использовать лампочку. Ниже показаны две схемы:
В DVD не всегда используется фотодиод. В нем есть микросхема. Если нет фотодиода, то можно использовать фоторезистор. А если и этого нет, то найдите старые транзисторы серии МП42 или МП39, верхнюю часть корпуса обточите напильником. Получится окошко, которое будет служить фотодиодом. У него достаточная чувствительность для такого применения. Еще можно поставить инфракрасный диод от пульта управления телевизором.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.
Какие бывают фотодатчики
В различных электронных устройствах, устройствах домашней и промышленной автоматики, различных радиолюбительских конструкциях фотодатчики используются очень широко. Кто хоть раз разбирал старую компьютерную мышь, как ее называли «комовскую», еще с шариком внутри, наверняка видел колесики с прорезями, крутящиеся в щели фотодатчиков.
Подобные фотодатчики называются фотопрерывателями - прерывают поток света. С одной стороны такого датчика находится источник - , как правило, инфракрасный (ИК), с другой фототранзистор (если быть точнее, то два фототранзистора, в некоторых моделях фотодиода, чтобы определить еще и направление вращения). При вращении колесика с прорезями на выходе фотодатчика получаются электрические импульсы, что является информацией об угловом положении этого самого колесика. Такие устройства называются энкодерами. Причем энкодер может быть просто контактным, вспомните колесико у современной мышки!
Фотопрерыватели используются не только в «мышках» а и в других устройствах, например, датчиках частоты вращения какого-либо механизма. В этом случае применяется одинарный фотодатчик, ведь направление вращения определять не требуется.
Если из каких-то соображений, чаще всего для ремонта, залезть в другие устройства электронной техники, то фотодатчики можно обнаружить в принтерах, сканерах и копирах, в приводах CD дисководов, в DVD плеерах, кассетных видеомагнитофонах, видеокамерах и в другой аппаратуре.
Так какие же бывают фотодатчики, и что они из себя представляют? Просто посмотрим, не вникая в физику полупроводников, не разбираясь в формулах и не произнося непонятных слов (рекомбинация, рассасывание неосновных носителей), что называется «на пальцах», как эти фотодатчики работают.
Рисунок 1. Фотопрерыватель
Фоторезистор
С ним все понятно. Как обычный постоянный резистор имеет омическое сопротивление, направление подключения в схеме роли не играет. Только в отличие от постоянного резистора меняет сопротивление под воздействием света: при освещенности оно уменьшается в несколько раз. Количество этих «раз» зависит от модели фоторезистора, в первую очередь от его темнового сопротивления.
Конструктивно фоторезисторы представляют собой металлический корпус со стеклянным окошком, сквозь которое видна сероватого цвета пластинка с зигзагообразной дорожкой. Более поздние модели выполнялись в пластмассовом корпусе с прозрачным верхом.
Быстродействие фоторезисторов невелико, поэтому работать они могут лишь на очень низких частотах. Поэтому в новых разработках они почти не применяются. Но случается, что в процессе ремонта старой техники с ними встретиться придется.
Чтобы проверить исправность фоторезистора достаточно проверить его сопротивление с помощью мультиметра. При отсутствии освещения сопротивление должно быть большим, к примеру, у фоторезистора СФ3-1 темновое сопротивление по справочным данным 30МОм. Если его осветить, то сопротивление упадет до нескольких КОм. Внешний вид фоторезистора показан на рисунке 2.
Рисунок 2. Фоторезистор СФ3-1
Фотодиоды
Очень похожи на обычный выпрямительный диод, если бы не свойство реагировать на свет. Если его «прозванивать» тестером, лучше несовременным стрелочным, то при отсутствии освещения результаты будут те же, как в случае измерения обычного диода: в прямом направлении прибор покажет маленькое сопротивление, а в обратном стрелка прибора почти не сдвинется с места.
Говорят, что диод включен в обратном направлении (этот момент следует запомнить), поэтому ток через него не идет. Но, если в таком включении фотодиод засветить лампочкой, то стрелка резко устремится к нулевой отметке. Такой режим работы фотодиода называется фотодиодным.
Еще у фотодиода есть фотогальванический режим работы: при попадании на него света он, как , вырабатывает слабенькое напряжение, которое, если усилить, можно использовать в качестве полезного сигнала. Но, чаще фотодиод используется в фотодиодном режиме.
Фотодиоды старой конструкции по внешнему виду представляют металлический цилиндрик с двумя выводами. С другой стороны находится стеклянная линза. Современные фотодиоды имеют корпус просто из прозрачной пластмассы, в точности такой же как и светодиоды.
Рис. 2. Фотодиоды
Фототранзисторы
По внешнему виду бывают просто неотличимы от светодиодов, тот же корпус из прозрачной пластмассы или цилиндрик со стекляшкой в торце, а из него два вывода - коллектор и эмиттер. Базовый вывод фототранзистору вроде как не нужен, ведь входным сигналом для него является световой поток.
Хотя, некоторые фототранзисторы вывод базы все же имеют, что позволяет кроме света управлять транзистором еще и электрическим способом. Такое можно встретить у некоторых транзисторных оптронов, например АОТ128 и импортных 4N35, - по сути функциональных аналогов. Между базой и эмиттером фототранзистора включают резистор, чтоб несколько прикрыть фототранзистор, как показано на рисунке 4.
Рисунок 3. Фототранзистор
У нашего оптрона обычно «вешают» 10 - 100КОм, а вот у импортного «аналога» около 1МОм. Если поставить даже 100КОм, то он работать не будет, транзистор просто наглухо закрыт.
Как проверить фототранзистор
Фототранзистор достаточно просто проверить тестером, даже если у него нет вывода базы. При подключении омметра в любой полярности сопротивление участка коллектор - эмиттер достаточно большое, поскольку транзистор закрыт. Когда на линзу попадет свет достаточной интенсивности и спектра, то омметр покажет маленькое сопротивление - транзистор открылся, если, конечно, удалось угадать полярность подключения тестера. По сути дела такое поведение напоминает обычный транзистор, только тот открывается электрическим сигналом, а этот световым потоком. Кроме интенсивности светового потока немалую роль играет его спектральный состав. Про особенности проверки транзисторов смотрите .
Спектр света
Обычно фотодатчики настроены на определенную длину волны светового излучения. Если это излучение инфракрасного диапазона, то такой датчик плохо реагирует на синий и зеленый светодиоды, достаточно хорошо на красный, лампу накаливания и само собой на инфракрасный. Также нехорошо воспринимает свет от люминесцентных ламп. Поэтому причиной плохой работы фотодатчика может быть просто неподходящий спектр источника света.
Выше было написано, как прозвонить фотодиод и фототранзистор. Тут следует обратить внимание на такую вроде бы мелочь, как тип измерительного прибора. У современного цифрового мультиметра в режиме прозвонки полупроводников плюс находится там же, где и при измерении постоянного напряжения, т.е. на красном проводе.
Результатом измерения будет падение напряжения в милливольтах на p-n переходе в прямом направлении. Как правило, это цифры в пределах 500 - 600, что зависит не только от типа полупроводникового прибора, но еще и от температуры. При увеличении температуры эта цифра уменьшается на 2 на каждый градус Цельсия, что обусловлено температурным коэффициентом сопротивления ТКС.
При пользовании стрелочным тестером надо помнить, что в режиме измерения сопротивлений плюсовой вывод находится на «минусе» в режиме измерения напряжений. При таких проверках освещать фотодатчики лучше лампой накаливания с близкого расстояния.
Сопряжение фотодатчика с микроконтроллером
В последнее время многие радиолюбители увлеклись конструированием роботов. Чаще всего это что-то такое на вид примитивное, вроде коробки с батарейками на колесиках, но жутко умное: все слышит, видит, препятствия объезжает. Вот видит он все как раз за счет фототранзистров или фотодиодов, а может даже и фоторезисторов.
Тут все происходит очень просто. Если это фоторезистор, достаточно подключить его, как указано на схеме, а в случае с фототранзистором или фотодиодом, чтобы не перепутать полярность предварительно «прозвонить» их, как было рассказано выше. Особенно полезно эту операцию проделать, если детали не новые, убедиться в их пригодности. Подключение разных фотодатчиков к показано на рисунке 4.
Рисунок 4. Схемы подключения фотодатчиков к микроконтроллеру
Измерение освещенности
Фотодиоды и фототранзисторы имеют малую чувствительность, высокую нелинейность и весьма узкий спектр. Основное применение этих фотоприборов - работа в ключевом режиме: включено - выключено. Поэтому создание измерителей освещенности на них достаточно проблематично, хотя раньше во всех аналоговых измерителях освещенности применялись именно эти фотодатчики.
Но к счастью нанотехнология на месте не стоит, а идет вперед семимильными шагами. Для измерения освещенности «там у них» создали специализированную микросхему TSL230R, представляющую собой программируемый преобразователь освещенность - частота.
Внешне устройство представляет собой микросхему в корпусе DIP8 из прозрачной пластмассы. Все сигналы входные и выходные по уровню совместимы с TTL - CMOS логикой, что позволяет легко сопрягать преобразователь с любым микроконтроллером.
С помощью внешних сигналов можно изменять чувствительность фотодиода и шкалу выходного сигнала соответственно 1, 10, 100 и 2, 10, и 100 раз. Зависимость частоты выходного сигнала от освещенности линейная, в пределах от долей герца до 1МГц. Настройки шкалы и чувствительности выполняются подачей логических уровней всего на 4 входа.
Микросхема может вводиться в режим микро потребления (5мкА) для чего есть отдельный вывод, хотя и в рабочем режиме не особенно прожорлива. При напряжении питания 2,7…5,5В потребляемый ток не более 2мА. Для работы микросхемы не требуется никакой внешней обвязки, разве что блокировочный конденсатор по питанию.
По сути, достаточно подключить к микросхеме частотомер и получать показания освещенности, ну, видимо, в каких-то УЕ. В случае же применения микроконтроллера ориентируясь на частоту выходного сигнала можно управлять освещенностью в помещении, или просто по принципу «включить - выключить».
TSL230R не единственный измеритель освещенности. Еще более совершенными являются датчики фирмы Maxim MAX44007-MAX44009. Габариты их меньше, чем у TSL230R, энергопотребление таково, как у других датчиков в спящем режиме. Основное назначение таких датчиков освещенности - применение в приборах с батарейным питанием.
Фотодатчики управляют освещением
Одной из задач, выполняемых при помощи фотодатчиков, является . Такие схемы называются фотореле , чаще всего это простое включение освещения в темное время суток. С этой целью радиолюбителями было разработано немало схем, некоторые из которых мы рассмотрим в следующей статье.
Продолжение статьи:
Одним из основных элементов автоматики в уличном освещении, наряду с таймерами и датчиками движения, является фотореле или сумеречное реле. Назначение данного аппарата - автоматическое подключение полезной нагрузки, при наступлении темного времени суток, без участия человека. Это устройство также получило огромную популярность благодаря своей дешевизне, доступности и простоте подключения. В данной статье мы подробно разберем принцип работы сумеречного выключателя и нюансы его подключения, а также расскажем, как сделать фотореле своими руками. Это не отнимет много времени и сил, зато вам будет приятно пользоваться самостоятельно собранным устройством.
Конструкция реле
Основным элементом реле является фотодатчик, в схемах могут применяться , диоды, транзисторы, фотоэлектрические элементы. При изменении освещенности на фотоэлементе соответственно изменяются и его свойства, такие как сопротивление, состояния P-N перехода в диодах и транзисторах, а также напряжения на контактах фоточувствительного элемента. Далее сигнал усиливается и происходит переключение силового элемента, коммутирующего нагрузку. В качестве выходных управляющих элементов используют реле или симисторы.
Почти все покупные элементы собраны по схожему принципу и имеют два входа и два выхода. На вход подается сетевое напряжение 220 Вольт, которое, в зависимости от установленных параметров, появляется и на выходе. Иногда фотореле имеет всего 3 провода. Тогда ноль – общий, на один провод подается фаза, и при нужной освещенности она соединяется с оставшимся проводом.
При необходимо ознакомится с инструкцией, обратить особое внимание на максимальную мощность подключаемой нагрузки, тип ламп освещения (накаливания, газоразрядные, светодиодные лампочки). Важно знать, что реле освещения с тиристорным выходом не смогут работать с энергосберегающими лампами, а также с некоторыми видами из-за конструктивных особенностей. Этот нюанс необходимо учитывать, чтобы не повредить оборудование.
Давайте рассмотрим несколько схем для самостоятельной сборки сумеречного выключателя в домашних условиях. Для примера разберем, как сделать симисторный ночник с фотоэлементом.
Инструкция по сборке
Это самая элементарная схема фотореле из нескольких деталей: симистора Quadrac Q60, опорного резистора R1, и фото элемента ФСК:
При отсутствии света симисторный ключ открывается полностью и лампа в ночнике светит в полный накал. При увеличении освещенности в помещении происходит смещение напряжения на управляющем контакте и меняется яркость светильника, вплоть до полного затухания лампочки.
Обратите внимание, что в схеме присутствует опасное для жизни напряжение. Подключать и тестировать ее необходимо с особой аккуратностью. А готовое устройство обязательно должно быть в диэлектрическом корпусе.
Следующая схема с релейным выходом:
Транзистор VT1 усиливает сигнал с делителя напряжения, который состоит из фоторезистора PR1 и резистора R1. VT2 управляет электромагнитным реле К1, которое может иметь как нормально разомкнутые, так и нормально замкнутые контакты, в зависимости от назначения. Диод VD1 шунтирует импульсы напряжения во время отключения катушки, защищая транзисторы от выхода из строя из-за бросков обратного напряжения. Рассмотрев данную схему, можно обнаружить, что ее часть (выделенная красным) по функционалу близка к готовым сборкам релейного модуля для ардуино.
Слегка переделав схему и дополнив ее одним транзистором и солнечным фотоэлементом от старого калькулятора, был собран прототип сумеречного выключателя - самодельное фотореле на транзисторе. При освещении солнечного элемента PR1, транзистор VT1 открывается и подает сигнал на выходной релейный модуль, который переключает свои контакты, управляя полезной нагрузкой.
Датчики бывают совершенно разными. Они отличаются по принципу действию, логике своей работы и физическим явлениям и величинам на которые они способны реагировать. Датчики света используются не только в аппаратуре автоматического управления освещением, они используются в огромном количестве устройств, начиная от блоков питания, заканчивая сигнализациями и охранными системами.
Основные виды фотоэлектронных приборов. Общие сведения
Фотоприёмник в общем смысле - это электронный прибор, который реагирует на изменение светового потока падающего на его чувствительную часть. Они могут отличаться, как по своей структуре, так и принципу работы. Давайте их рассмотрим.
Фоторезисторы - изменяют сопротивление при освещении
Фоторезистор - фотоприбор изменяющий проводимость (сопротивление) в зависимости от количества света падающего на его поверхность. Чем интенсивнее чувствительной области, тем меньше сопротивления. Вот его схематическое изображение.
Состоит он из двух металлических электродов, между которыми присутствует полупроводниковый материал. Когда световой поток попадает на полупроводник, в нём высвобождаются носители заряда, это способствует прохождению тока между металлическими электродами.
Энергия светового потока тратится на преодоление электронами запрещенной зоны и их переходу в зону проводимости. В качестве полупроводника у фоторезисторов используют материалы типа: Сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От типа этого материала зависит спектральная характеристика фоторезистора
Интересно:
Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.
Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда. Вольт-амперная характеристика фоторезистора выглядит следующим образом.
На ней изображена зависимость тока от напряжения при различных величинах светового потока: Ф - темнота, а Ф3 - это яркий свет. Она линейна. Еще одна важная характеристика - это чувствительность, она измеряется в мА(мкА)/(Лм*В). Что отражает, сколько тока протекает через резистор, при определенном световом потоке и приложенном напряжении.
Темновое сопротивление - это активное сопротивление при полном отсутствии освещения, обозначается Rт, а характеристика Rт/Rсв - это кратность изменения сопротивления от состояния фоторезистора в полном отсутствии освещения к максимально освещенному состоянию и минимально возможному сопротивлению соответственно.
У фоторезисторов есть существенный недостаток - его граничная частота. Это величина описывает максимальную частоту синусоидального сигнала, которым вы моделируете световой поток, при которой чувствительность снижается на 1.41 раз. В справочниках это отражается либо значением частоты, либо через постоянную времени. Она отражает быстродействие приборов, которое обычно занимает десятки микросекунд - 10^(-5) с. Это не позволяет использовать его там, где нужно высокое быстродействие.
Фотодиод - преобразует свет в электрический заряд
Фотодиод - элемент, который преобразует свет, попадающий на чувствительную зону, в электрический заряд. Это происходит потому что при облучении в p-n переходе протекают различные процессы связанные с движением носителей заряда.
Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода. Он может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.
По структуре он такой же, как и обычный диод, но на его корпусе есть окно для прохождения света. Внешне они бывают в различных исполнениях.
Фотодиоды с черным корпусом воспринимают только ИК-излучение. Черное покрытие - это что-то похожее на тонировку. Фильтрует ИК-спектр, чтобы исключить возможность срабатывания на излучения других спектров.
У фотодиодов, как и у фоторезисторов есть граничная частота, только здесь она на порядки больше и достигает 10 МГц, что позволяет обеспечить неплохое быстродействие. P-i-N фотодиоды обладают большим быстродействием - 100МГц-1ГГц, как и диоды на основании барьера Шоттки. Лавинные диоды имеют граничную частоту в порядка 1-10 ГГц.
В режиме фотопреобразователя такой диод работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).
Когда диод не освещается светом - в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света - тем больше ток.
Фототок Iф равен:
где Sинт - интегральная чувствительность, Ф - световой поток.
Типовая схема включения фотодиода в режиме фотопреобразователя. Обратите внимание на то, как он подключен - в обратном направлении по отношению к источнику питания.
Другой режим - генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает , но имеют малую мощность.
Фототранзисторы - открываются от количества падающего света
Фототранзистор - это по своей сути у которого вместо вывода базы есть в корпусе окошко для попадания туда света. Принцип работы и причины этого эффекта аналогичны с предыдущими приборами. Биполярные транзисторы управляются количеством тока протекающего через базу, а фототранзисторы по аналогии управляются количеством света.
Иногда на УГО еще дополнительно изображается вывод базы. Вообще напряжения на фототранзистор подают также как и на обычный, а второй вариант включения - с плавающей базой, когда базовый вывод остаётся незадействованным.
В схему включают фототранзисторы подобным образом.
Или меняют местами транзистор и резистор, смотря, что конкретно вам нужно. При отсутствии света через транзистор протекает темновой ток, который образуется из тока базы, который вы можете задать сами.
Задав необходимый ток базы, вы можете выставить чувствительность фототранзистора подбором его базового резистора. Таким образом, можно улавливать даже самый тусклый свет.
В советское время радиолюбители делали фототранзисторы своими руками - делали окошко для света, спилив обычному транзистору часть корпуса. Для этого отлично подходят транзисторы типа МП14-МП42.
Из вольтамперной характеристики видна зависимость фототока от освещения, при этом он практически не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.
Кроме биполярных фототранзисторов существуют и полевые. Биполярные работают на частотах 10-100 кГц, то полевые более чувствительны. Их чувствительность достигает нескольких Ампер на Люмен, и более «быстрые» - до 100 мГц. У полевых транзисторов есть интересная особенность, при максимальных значениях светового потока напряжение на затворе почти не влияет на ток стока.
Области применения фотоэлектронных приборов
В первую очередь следует рассмотреть более привычные варианты их применения, например автоматическое включение света.
Схема, изображенная выше - это простейший прибор для включения и выключения нагрузки при определенной освещенности. Фотодиод ФД320 При попадании на него света открывается и на R1 падает определенное напряжение, когда его величина достаточна для открытия транзистора VT1 - он открывается, и открывает еще один транзистор - VT2. Эти два транзистора - это двухкаскадный усилитель тока, необходим для запитки катушки реле K1.
Диод VD2 - нужен для гашения ЭДС-самоиндукции, которое образуется при переключениях катушки. На подводящий контакт реле, верхний по схеме, подключается один из проводов от нагрузки (для переменного тока - фаза или ноль).
У нас есть нормально замкнутый и разомкнутый контакты, они нужны либо для выбора включаемой цепи, либо для выбора включить или отключить нагрузку от сети при достижении необходимой освещенности. Потенциометр R1 нужен для подстройки прибора для срабатывания при нужном количестве света. Чем больше сопротивление - тем меньше света нужно для включения схемы.
Вариации этой схемы используют в большинстве подобных приборов, при необходимости добавляя определенный набор функций.
Кроме включения нагрузки по освещенности подобные фотоприемники используются в различных системах контроля, например на турникетах метро часто используют фоторезисторы для определения несанкционированного (зайцем) пересечения турникета.
В типографии при обрыве полосы бумаги свет попадает на фотоприемник и тем самым даёт сигнал оператору об этом. Излучатель стоит по одну сторону от бумаги, а фотоприемник с обратной стороны. Когда бумага рвётся, свет от излучателя достигает фотоприемника.
В некоторых видах сигнализации используются в качестве датчиков входа в помещение излучатель и фотоприемник, при этом, чтобы излучение не были видны используют ИК-приборы.
Касаемо ИК-спектра, нельзя упомянуть о приемнике телевизора, на который поступают сигналы от ИК-светодиода в пульте дистанционного управления, когда вы переключаете каналы. Специальным образом кодируется информация и телевизор понимает, что вам нужно.
Информация таким образом ранее передавалась через ИК-порты мобильных телефонов. Скорость передачи ограничена, как последовательным способом передачи, так и принципом работы самого прибора.
В компьютерных мышках также используется технология связанная с фотоэлектронными приборами.
Применение для передачи сигналов в электронных схемах
Оптоэлектронные приборы - это приборы которые объединяют в одном корпусе излучатель и фотоприемник, типа описанных выше. Они нужны для связи двух контуров электрической цепи.
Это нужно для гальванической развязки, быстрой передачи сигнала, а также для соединения цепей постоянного и переменного тока, как в случае управления симистором в цепи 220 В 5 В сигналом с микроконтроллера.
Они имеют условно-графическое обозначение, которое содержит информацию о типе используемых внутри оптопары элементов.
Рассмотрим пару примеров использования таких приборов.
Если вы проектируете тиристорный или симисторный преобразователь вы столкнетесь с проблемой. Во-первых, если переход у управляющего вывода пробьет - попадет высокий потенциал и последний выйдет из строя. Для этого разработаны специальные драйверы, с элементом, который называется оптосимистор, например MOC3041.
В импульсных стабилизированных блоках питания необходима обратная связь. Если исключить гальваническую развязку в этой цепи, тогда в случае выхода из строя каких-то компонентов в цепи ОС, на выходной цепи возникнет высокий потенциал и подключенная аппаратура выйдет из строя, я не говорю о том, что и вас может ударить током.
В конкретном примере вы видите реализацию такой ОС из выходной цепи в обмотку обратной связи (управляющую) транзистора с помощью оптопары с порядковым обозначением U1.
Выводы
Фото- и оптоэлектроника это очень важные разделы в электроники, которые значительно улучшили качество аппаратуры, её стоимость и надёжность. С помощью оптопары можно исключить использование развязывающего трансформатора в таких цепях, что уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того некоторые устройства просто невозможно реализовать без таких элементов.
