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 солнечная батарея, 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.

Фототранзисторы

Рисунок 3. Фототранзистор

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 здесь.

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.

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 микроконтроллеру 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.

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 управление освещением. 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.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник

Фотодатчики и их применение

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 – светодиод, 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 солнечная батарея, 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.

Фототранзисторы

Рисунок 3. Фототранзистор

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 здесь.

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.

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 микроконтроллеру 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.

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 управление освещением. 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.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник

Фотореле и принципы их работы

Фотореле представляют собой разновидность электронных приборов, которые предназначены для дистанционного контроля и управления разнообразными исполнительными устройствами малой и средней мощности. Достоинства современных фотореле (как устройств) — это компактность и простота настройки, поэтому подобная аппаратура широко используется в промышленности и быту. В частности, они управляют системами включения и защиты крупного металлообрабатывающего оборудования (листоштамповочных прессов, сварочных автоматизированных комплексов или радиально-сверлильных станков), используются для контроля внешнего освещения и тому подобное.

Принципы функционирования и базовые компоненты фотореле

Что такое фотореле? Исполнительная схема устройства состоит из следующих компонентов:

Фотодатчики

Большинство фотодатчиков — это полупроводники, обладающие свойством, называемым фотопроводимостью. Оно заключается в изменении параметров электрической проводимости в зависимости от интенсивности светового излучения, попадающего на материал.

Как работает фотореле, ясно из рисунка. Фотоэлектрические устройства можно подразделить на две основные категории: те, которые генерируют электричество при освещении — фотоэлектрические или фотоэмиссионные излучатели — и те, которые каким-либо образом изменяют свои электрические характеристики (фоторезисторы или фотопроводники).

Таким образом, в типовую конструкцию фотореле могут входить следующие исполнения фотодатчиков:

Фоторезистор

Фотопроводящий датчик не вырабатывает электричество, а просто изменяет свои физические свойства при воздействии энергии света. Наиболее распространенным типом фотопроводящего устройства является фоторезистор, который изменяет свое электрическое сопротивление в ответ на изменения интенсивности света.

Фоторезисторы — это полупроводниковые устройства, которые используют энергию света для управления потоком электронов и, следовательно, током, протекающим через них. Обычно этот элемент называется светозависимым резистором или LDR.

Принцип работы фотореле на соответствующем фотодатчике представлен на рисунке:

Как следует из его названия, светозависимый резистор (LDR) нужно изготовить из открытого полупроводникового материала, например, сульфида кадмия, который изменяет своё электрическое сопротивление от нескольких тысяч Ом в темноте до нескольких сотен Ом, когда на него падает свет, создавая дырочно-электронные пары в материале.

Эффект заключается в улучшении проводимости фотодатчика с уменьшением сопротивления для увеличения освещения. Фоторезистивные ячейки имеют большое время отклика, которое нужно, чтобы отреагировать на изменение интенсивности света.

Светочувствительные материалы

Материалы, используемые в качестве полупроводниковой подложки — сульфид свинца (PbS), селенид свинца (PbSe), антимонид индия (InSb), которые обнаруживают свет в широком диапазоне волн. Наиболее часто используемым из всех фоторезистивных датчиков света является сульфид кадмия (Cds), потому что его кривая спектрального отклика ближе всего соответствует кривой человеческого глаза, для чего требуется наличие любого источника света. Длина волны пиковой чувствительности для фотоэлемента из сульфида кадмия составляет от 560 до 600 нм в видимом спектральном диапазоне.

В качестве фотодатчика часто используют проводящий элемент ORP12. Этот светозависимый резистор имеет спектральный отклик около 610 нм в области света от жёлтого до оранжевого. Сопротивление элемента, когда он не освещён (темновое сопротивление), очень высокое, около 10 МОм, которое падает до 100 Ом при полном освещении (номинальное сопротивление).

Чтобы увеличить темновое сопротивление и, следовательно, уменьшить темновой ток, резистивный путь образует зигзагообразный рисунок на керамической подложке. Фотоэлемент CdS — это очень недорогое устройство, их часто используют для автоматического затемнения, а также для определения времени темноты или сумерек, в фотореле для уличного освещения.

Типовая схема электронного управляющего блока, где используются светопроводящие элементы из сульфида кадмия, приведена на рисунке:

Преимущества фотореле

В отличие от управляющих компонентов контактного типа, например, электромеханических или индукционных реле, описываемые устройства отличаются своей долговечностью. Кроме того, данные устройства на полевых транзисторах (так называемых MOSFEТ-транзисторах) меньше нагреваются, а потому могут быть применены в длительно эксплуатируемых управляющих схемах, например, в фотореле для уличного освещения.

Применение МДП-транзисторов в качестве устройства для вывода сигнала позволяет использовать их в схемах твердотельных реле, которые функционируют как на переменном, так и на постоянном токе.

Последующее сравнение эффективности изделия с другими типами следящих устройств аналогичного предназначения может быть выполнено по следующим параметрам:

Фотореле выгодно характеризуются также отсутствием шума при работе, высокой скоростью переключения режимов управления, отсутствием звуковых щелчков при работе.

Компактность схемы типового фотореле для уличного освещения иллюстрирует рисунок:

Области рационального применения фотореле

Типовые ситуации, в которых требуется присутствие данного устройства:

Эффективность применения фотореле обуславливается также и их универсальностью (помимо стандартной аппаратуры контроля можно использовать компьютеры или ноутбуки). Это позволяет реализовывать также и логические управляющие команды типа «если…то…».

Рассмотрим использование фотореле для уличного освещения. Технология их применения основана на использовании триггерных FEТ-переключателей.

В приведенной блок-схеме используется серия К МДП-транзисторов. В отличие от твердотельных реле, схема управляет фотодиодами напрямую. Это обеспечивает гораздо более высокие скорости переключения, поскольку время отключения питания при включении светодиода некритично. Из-за отсутствия механических составляющих поддерживается высокая компактность устройства, однако физический изоляционный барьер здесь отсутствует, а потому необходимо использовать только низковольтный управляющий сигнал.

Поскольку фотореле является альтернативой уже существующей панели дистанционного управления освещением, то прежде всего стоит подумать — а так ли уж необходима подобная замена. Если существующая система полностью соответствует электрическим нормам, то перед нагрузкой достаточно просто добавить релейную панель, и полный контроль за осветительной цепью будет обеспечен. В небольшом корпусе может быть размещено до 64 фотореле вместе с источником низкого напряжения, а рядом можно расположить панель выключателя. Чем меньше число цепей, тем более экономичным становится применение релейной панели.

Фотореле можно использовать для управления однополюсными цепями 127/220 В переменного тока и двухполюсными (208…240 В) цепями переменного тока. Релейные панели наиболее экономичны при управлении меньшими нагрузками, но имеют один недостаток — они рассчитаны на ограниченное количество циклов включения/ выключения: от 20000 до 50000 (при нормальных обстоятельствах этого хватит примерно на 5 лет).

Общий вид блочной компоновки фотореле для уличного освещения и монтажная схема приведены на следующих рисунках.

Некоторые нюансы имеются в использовании фотореле совместно с датчиками движения. Как правило, уличные фонари включаются на всю ночь. Но в ночное время уличные фонари не нужны, если нет движения. Поэтому всё чаще используют схемы, которые включают уличные фонари только при перемещения транспортного средства и некоторое время после него. Используется микроконтроллер AVR 8051 и несколько пар (чем больше, тем лучше) инфракрасных (ИК) датчиков.

Предлагаемая система состоит из микроконтроллера Atmega8, LDR, PIR-датчика и RTC. Эта система управляет уличным освещением, используя светозависимый резистор и ИК-датчик.

Уличные фонари включаются в зависимости от интенсивности светового потока, который воспринимается на LDR. Если такая интенсивность на фоторезисторах низкая, значение их сопротивления — высокое. С уменьшением общей освещённости это значение увеличивается, и, таким образом, определяет, когда уличные фонари должны включиться.

Ночью движение транспорта минимально. Это обстоятельство можно использовать для настройки контроллера. По наступлении пикового времени, когда трафика нет, фотореле отключит наружное освещение. При появлении единичного транспортного средства ИК-датчик подаст управляющий сигнал микроконтроллеру. Тот на 2…3 минуты включит освещение, после чего автоматически его выключит.

Источник