Совершенствуем систему освещения, используя схему фотореле своими руками. Фототранзистор из простого транзистора Как сделать фотодиод из транзистора
Работа различных полупроводниковых приемников излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда -- электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 1022 см -3) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения .
Фототранзистор - фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала. Его можно представить состоящим из фотодиода и транзистора. Фотодиодом является освещаемая часть перехода база-коллектор, транзистором - часть структуры, расположенная непосредственно под эмиттером. Так как фотодиод и коллекторный переход транзистора конструктивно объединены, то фототок суммируется с коллекторным током. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный - открыт. База может быть отключенной.
В отличие от биполярного транзистора, у фототранзистора отсутствует электрический контакт к базе, а управление током базы осуществляется путем изменения ее освещенности. По этой причине конструктивно фототранзистор имеет только два вывода -- эмиттер и коллектор.
Рисунок 2.1 - а) Схема фототранзистора со структурой p-n-p;
б) зонная диаграмма фототранзистора в активном режиме работы
На рис. 2.1 показаны схема включения фототранзистора и зонная диаграмма в активном режиме работы.
При попадании светового потока на n-область базы в ней генерируются неравновесные электроны и дырки. Дырки будут являться неосновными носителями, увеличение их концентрации приведет к росту дрейфовой компоненты тока из базы в коллектор. Величина первичного «затравочного» фототока будет выражаться такими же соотношениями, как и фототок диода на основе p-n-перехода. Отличие только в том, что неравновесные носители, участвующие в фототоке в фототранзисторе, собираются с области базы, ширина которой W меньше, чем диффузионная длина L p . Поэтому плотность первичного «затравочного» фототока будет :
Вследствие того что неравновесные дырки уходят из базы в коллектор, база заряжена отрицательно относительно эмиттера, что эквивалентно прямому смещению эмиттерного перехода фототранзистора. При прямом смещении эмиттерного p-n-перехода появляется инжекционная компонента тока из эмиттера в базу. При коэффициенте передачи эмиттерного тока б в базе рекомбинируют (1-б) инжектированных носителей или в в раз меньше, чем число инжектированных носителей. В условиях стационарного тока число прорекомбинировавших носителей в базе должно быть равно их числу, ушедшему с первоначальным фототоком. Поэтому инжекционный ток должен быть в в раз больше, чем первичный фототок. Ток коллектора I К будет состоять из трех компонент: первичного фототока I ф, инжекционного вI ф и теплового I К0 тока .
I К = I ф+в I ф =(в+1) I ф + I К0 (2.2)
Используя выражение для коэффициента усиления в базового тока через конструктивно-технологические параметры биполярного транзистора, получаем:
Величина первичного фототока I Ф выражается через параметры светового потока и характеристики полупроводникового материала стандартным образом:
При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары. Так же как и в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода, неосновные носители из базы движутся в коллектор, при этом его ток увеличивается. Основные носители остаются в базе, понижая ее потенциал относительно эмиттера. При этом на эмиттерном переходе создается дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию из эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора.
Рисунок 2.2 - Энергетическая диаграмма фототранзистора (а) и вольтамперные характеристики фототранзистора при разных уровнях освещения (б).
Работа фототранзистора с общим эмиттером
Рассмотрим, например, работу фототранзистора в схеме с общим эмиттером при отключенной базе. Фототок коллекторного перехода суммируется с обратным током коллектора, поэтому в формуле для тока транзистора вместо J К0 следует поставить
J К0 + J Ф /J = (J К0 + J Ф)/(1-б).
При J К 0>>J Ф J =J Ф /(1-б) ? вJ Ф, т.е. фототок фототранзистора усиливается в в раз по сравнению током фотодиода. Соответственно в в раз увеличивается и чувствительность. Ток может быть усилен в 1000 раз, поэтому чувствительность фототранзистора во много раз больше чувствительности фотодиода. Однако поскольку произведение коэффициента усиления на полосу частот величина постоянная, то предельная частота уменьшается в в раз.
Рисунок 2.3 - Эквивалентная схема фототранзистора.
Наличие диффузии носителей обуславливает значительную инерционность прибора ф = 10- 5 -10- 6 с. При сужении базы время диффузии уменьшается, но уменьшается и чувствительность. Для германиевых фототранзисторов SI= 0,2-0,5 А/лм, V раб = 3 В, I темн = 300 мкА, ф = 0,2 мс. В корпусе прибора предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает обычно на базовую область фототранзистора. Площадь фоточувствительной площадки составляет 1-3 мм 2 .
Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая . При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.
Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.
Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.
В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.
Спектр
Кроме типа прибора у него еще есть рабочий спектр. Например, фотодетектор заточенный на инфракрасный спектр (а их большинство) практически не реагирует на свет зеленого или синего светодиода. Плохо реагирует на лампу дневного света, но хорошо реагирует на лампу накаливания и красный светодиод, а уж про инфракрасный и говорить нечего. Так что не удивляйся если у тебя фотодатчик плохо реагирует на свет, возможно ты со спектром ошибся.
Подключение
Теперь пора показать как это подключить к микроконтроллеру. С фоторезистором все понятно, тут заморочек нет никаких — берешь и подцепляешь как по схеме.
С фотодиодом и фототранзистором сложней. Надо определить где у него анод/катод или эмитер/коллектор. Делается это просто. Берешь мультиметр, ставишь его в режим прозвонки диодов и цепляешься на свой датчик. Мультиметр в этом режиме показывает падение напряжения на диоде/транзисторе, а падение напряжения тут в основном зависит от его сопротивления U=I*R. Берешь и засвечиваешь датчик, следя за показаниями. Если число резко уменьшилось, значит ты угадал и красный провод у тебя на катоде/коллекторе, а черный на аноде/эмитторе. Если не изменилось, поменяй выводы местами. Если не помогло, то либо детектор дохлый, либо ты пытаешься добиться реакции от светодиода (кстати, светодиоды тоже могут служить детекторами света, но там не все так просто. Впрочем, когда будет время я покажу вам это технологическое извращение).
 |
Теперь о работе схемы, тут все элементарно. В затемненном состоянии фотодиод не пропускает ток в обратном направлении, фототранзистор тоже закрыт, а у фоторезистора сопротивление весьма высоко. Сопротивление входа близко к бесконечности, а значит на входе будет полное напряжение питания aka логическая единица. Стоит теперь засветить диод/транзистор/резистор как сопротивление резко падает, а вывод оказывается посажен наглухо на землю, ну или весьма близко к земле. Во всяком случае сопротивление будет куда ниже 10кОмного резистора, а значит напряжение резко пропадет и будет где то на уровне логического нуля. В AVR и PIC можно даже резистор не ставить, вполне хватит внутренней подтяжки. Так что DDRx=0 PORTx=1 и будет вам счастье. Ну а обратывать это как обычную кнопку. Единственная сложность может возникнуть с фоторезистором — у него не настолько резко падает сопротивление, поэтому до нуля может и не дотянуть. Но тут можно поиграть величиной подтягивающего резистора и сделать так, чтобы изменения сопротивления хватало на переход через логический уровень.
Если надо именно измерять освещенность, а не тупо ловить светло/темно, то тогда надо будет подцеплять все на АЦП и подтягивающий резистор делать переменным, для подстройки параметров.
Есть еще продвинутый тип фотодатчиков — TSOP там встроенный детектор частоты и усилитель, но о нем я напишу чуть попозже.
З.Ы.
У меня тут некоторые запарки, поэтому сайт будет сильно тупить с обновлением, думаю это до конца месяца. Дальше надеюсь вернуться в прежний ритм.
Фоторезисторы изготавливают из полупроводниковых материалов, которые изменяют своё сопротивление в зависимости от степени освещённости. Основное их отличие от других фотоэлектрических приборов заключается в высокой стабильности параметров и линейности изменения сопротивления в достаточно широком диапазоне. Последнее свойство позволяет использовать фоторезисторы не только в цифровой автоматике, но и в аналоговой технике, например, в качестве гальванически изолированных регуляторов громкости звука.
Фоторезисторы являются относительно инерционными элементами с гораздо более низким (единицы килогерц) быстродействием по сравнению с фотодиодами и фототранзисторами. После резких перепадов освещённости, их сопротивление изменяется не скачком, а «плывёт» в течение некоторого времени. Это надо учитывать в практической работе и выдерживать для адаптации к свету небольшие паузы. Насколько «небольшие», подскажет эксперимент.
В зависимости от спектральной чувствительности фоторезисторы делятся на две большие группы: для работы в видимой и инфракрасной части спектра. Электрические схемы включения у них совпадают (Рис. 3.44, а…м). Единственное, что надо предварительно узнать по даташиту, - это максимально допустимое рабочее напряжение. В частности, на фоторезисторы СФ2-5, СФЗ-4А/Б, СФЗ-5 нельзя подавать питание больше, чем 1.3…2 В. Подавляющее же большинство фоторезисторов могут работать при напряжениях 5…50 В. Их темновое сопротивление составляет 1…200 МОм, а в освещенном состоянии - на два-три порядка меньше.
Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {начало)-.
а) резисторы /?У, образуют делитель напряжения. При освещении фоторезистора /?Уего сопротивление уменьшается. Резистор J служит защитой на случай полного замыкания под- строечного резистора и ошибочного перевода линии МКв режим выхода с ВЫСОКИМ уровнем. Если резистор R2 постоянный, то резистор R3 можно заменить перемычкой;
в) подключение фоторезистора /?2к МК с привязкой к общему проводу, а не к цепи питания. При освещении фоторезистора R2 напряжение на входе МК снижается;
Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК (продолжение):
г) экономичное «реле Турченкова» на германиевых транзисторах VTI, К72 разной проводимости. Резистором уста на вливают порог срабатывания;
д) фоторезистор RI определяет ток базы транзистора УТ1, поскольку он входит в верхнее плечо делителя RI, R2. Следует установить движок переменного резистора в такое положение, чтобы ток базы транзистора УТ1 не превысил норму при яркой освещённости фоторезистора;
е) в исходном состоянии фоторезистор /?2освещён, транзистор УТ1 закрыт, светодиод НИ погашен. Когда уровень освещённости фоторезистора понизится до определённого порога (регулируется резистором R3), то транзистор открывается, светодиод загорается и на входе МК устанавливается НИЗКИЙ уровень;
ж) регистратор коротких вспышек света или приёмник импульсно-модулированных сигналов. Транзистор VTI находится в режиме отсечки. Конденсатор С/устраняет ложные срабатывания от медленных изменений освещённости фона, например, при смене дня ночью;
з) транзистор VTI повышает чувствительность фотодатчика R2, что позволяет использовать обычную линию порта МК, а не только вход АЦП. Резистор задаёт положение рабочей точки транзистора УТ1\
и) если оба фоторезистора R2, освещены, то на входе МК присутствует НИЗКИЙ уровень (регулируется резистором R1). Если один (любой) из фото рези сто ров будет затемнён, то суммарное «фотосопротивление» резко увеличится и на входе МК появится ВЫСОКИЙ уровень. Фоторезисторы выполняют логическую функцию «световое И»;
Рис. 3.44. Схемы подключения фоторезисторов к МК {окончание):
к) резистором R3 регулируют порог срабатывания ОУ DAI (компаратор напряжений). Сопротивление резистора R2 выбирается примерно таким же, как RI в «неактивном» состоянии. При значительном удалении фоторезистора следует экранировать его соединительные провода;
л) конденсаторы С/, С2 повышают стабильность измерений, устраняют импульсные помехи и создают небольшой гистерезис при резких колебаниях освещённости;
м) внутренний аналоговый компаратор МК используется для оценки уровня освещённости. Используется метод сравнения измеряемого напряжения с «пилой», которую вырабатывает сам МК на отрицательном выводе компаратора (линия входа временно становится выходом).
Фотодиоды в схемах на МК
Фотодиоды относятся к классу полупроводниковых приборов, в основе работы которых лежит внутренний фотоэффект При облучении /?-А7-перехода фотонами возникает генерация носителей тока внутри полупроводника. Изменение тока эквивалентно изменению сопротивления, что легко зафиксировать и измерить.
Фотодиоды широко применяются для регистрации световых излучений. Их достоинство, по сравнению с фоторезисторами и фототранзисторами, заключается в высоком быстродействии и хорошей чувствительности.
Различают два основных режима работы фотодиодов:
Диодный (фотодиодный, фоторезисторный) с обратным смещением;
Генераторный (фотогальванический, фотовольтаический) без смещения.
Диодный режим используется чаще и характеризуется широким диапазоном
изменения обратного сопротивления и хорошим быстродействием. Генераторный режим имеет следующие недостатки: большая эквивалентная ёмкость и высокая инерционность. Достоинство - малый уровень собственных шумов.
Фотодиоды выпускают фирмы: Vishay, OSRAM, Hamamatsu Photonics, «Кварц» и др. Типовые параметры: длина волны 850…950 нм, токовая чувствительность 10…80 мкА, ширина диаграммы направленности 15…65°, время нарастания/спада 2… 100 нс, рабочая температура -55…+ 100°С. Чувствительность фотодиодов снижается с повышением температуры и напряжения. Темновой ток возрастает в 2…2.5 раза на каждые 10°С, из-за чего в схему часто вводят термокомпенсацию.
На Рис. 3.45, а…ж показаны схемы непосредственного подключения фотодиодов к МК. На Рис. 3.46, а…е показаны схемы с усилителями на транзисторах. На Рис. 3.47, а…о - с усилителями на микросхемах.
б) соединение фотодиода BLI с цепью питания. Нажатие переключателя SI имитирует освещенное состояние фотодиода при тестовых проверках;
в) повыщение общей чувствительности за счёт параллельного включения нескольких фотодиодов BLI…Bin. Фотодиоды выполняют логическую функцию «световое ИЛИ»;
г) параллельное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;
д) последовательное включение фотодиодов по схеме «световое И». Позволяет обнаружить момент затемнения одного из нескольких освещенных фотоприёмников на конвейере;
е) последовательное включение нескольких фотодиодов с привязкой к общему проводу;
ж) мостовая схема включения фотодиода BLI, обладающая повыщенной чувствительностью и гистерезисом {R6). Требуется предварительное симметрирование моста резистором R3.
а) фотодиод BL1 замещает базовый резистор транзисторного усилителя;
б) мигающий светодиод НИ служит … фотоприёмником. В исходном состоянии НИ генерирует электрические (не световые!) импульсы с частотой «мигания» около 2 Гц. При внешнем освещении генерация срывается, что и фиксирует МК через транзистор VTI\
в) ключ на транзисторе VT1 повышает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигнала от фотодатчика BLL Конденсатор С/ устраняет помехи от колебаний освещённости;
г) оптоизолированный частотный смеситель. На вход МК поступает сигнал с разностной «световой» частотой модуляции «/, -/2» от двух светодиодов HL1 (/j) и HL2{f2). Контур/1 / должен быть настроен на разностную частоту;
д) повышение чувствительности за счёт параллельного включения двух фотодиодов ВИ, BL2. Транзистор VTI находится в отсечке и не реагирует на медленный дрейф освещённости;
е) вместо ОУ DAI можно использовать аналоговый компаратор МК. Скорость приёма «лазерного» фотодиода - до 5 Мбит/с по оптоволоконному кабелю длиной Юм… 1 км.
а) использование прецизионного усилителя DA1 (фирма Analog Devices) для обеспечения долговременной стабильности сигналов от фотодатчика BLI\
б) нестандартное включение ИК-светодиода НИ в качестве фотоприёмника инфракрасного диапазона длин волн. Резистором регулируется усиление каскада на ОУ DAI\
в) усилитель-формирователь на «телевизионной» микросхеме DA1. Резистором регулируется чувствительность фотодатчика BLI\
г) двухполярное питание ОУ DA /. Конденсатор CI устраняет «звон» на фронтах сигнала, возникающий при резкой смене освещённости. Это стандартный приём и для других схем;
д) для уменьщения внещних помехтрансимпедансный усилитель DA 1.2(это преобразователь «ток-напряжение») охвачен обратной связью через интегратор DAI.3. Питание на ОУ подаётся от выходной линии МК. Опорное напряжение 0.5 В формирует повторитель DAL /;
Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к М К через усилители на микросхемах
{продолжение):
е) фотодиоды ВЦ, 5L2 должны освещаться поочерёдно, иначе их суммарное сопротивление может получиться столь низким, что сработает перегрузка по току источника питания;
ж) конденсатор С2 устраняет «звон» при большой собственной ёмкости фотодиода ВИ\
з) измеритель цвета на фотодиоде BL1 (фирма Advances Photonics), который имеет «колоко- лообразную» чувствительность в диапазоне 150…400 нм. Перемычкой ^S/задаётся усиление;
и) стабильные параметры фотоприёма в инфракрасном диапазоне обеспечиваются прецизионной микросхемой Z)/1/ (фирма Analog Devices), фильтром С4, R4…R6 и стабилитроном VDI.
к) связка «усилитель-детектор-формирователь» на ОУ DAI с регулировкой порога {R6)\О
Рис. 3.47. Схемы подключения фотодиодов к МК через усилители на микросхемах
(окончание):
л) компаратор на микросхеме DA1 обеспечивает высокую чувствительность и помехоустойчивость. Резистором J регулируется «световой» порог под конкретный тип фотодиода BL1\
м) резистором регулируется чувствительность и выставляется рабочая точка логического элемента DDI (желательно с характеристикой триггера Шмитта, например, К561ТЛ2);
н) BL1 - трёхцветный RGB-сенсор (фирма Laser Components), DAI - четырёхканальный трансимпедансный усилитель (фирма Promis Electro Optics). Один из четырёх аналоговых каналов усилителя не используется. Сигналы с выходов М К задают режимы работы и усиление DA1\ о) высокочувствительный регистратор фото- или радиационного излучения на специализированном pin-фотодиоде ВИ (подобные изготавливаются фирмой Hamamatsu Photonics). Элемент DA 1.1 выполняет функцию трансимпедансного, а DA1.2 - обычного усилителя сигналов.
Фототранзисторы в схемах на МК
Фототранзистор - это фоточувствительный полупроводниковый прибор, по структуре подобный биполярному или полевому транзистору. Разница заключается в том, что в его корпусе предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает на кристалл. В отсутствии внешнего освещения, транзистор закрыт, ток коллектора ничтожно мал. При попадании лучей света на/?-А7-переход базы, транзистор открывается и резко возрастает его коллекторный ток.
Фототранзисторы, в отличие от фоторезисторов, обладают высоким быстродействием, а в отличие от фотодиодов - усилительными свойствами (Табл. ЗЛО).
Фототранзистор, в первом приближении, можно представить в виде эквивалентного фотодиода, включённого параллельно коллекторному переходу обычного транзистора. Коэффициент усиления фототока прямо пропорционален /7213. следовательно, во столько же раз чувствительность фототранзистора выше, чем у фотодиода.
Главным параметром, за которым надо следить при разработке схем на фототранзисторах, является коллекторный ток. Чтобы не превысить его норму, надо ставить в коллекторе/эмиттере достаточно большие сопротивления.
Фототранзисторы выпускают фирмы: Vishay, Kingbright, Avago Technologies и др. Типовые параметры: длина волны 550…570 или 830…930 нм, ток коллектора в освещенном состоянии 0.5… 10 мА, угол половинной чувствительности 15…60°, время нарастания/спада 2…6 мкс, рабочая температура -55…+ 100°С, проводимость п-р-п.
Существуют двух- и трёхвыводные фототранзисторы. Различаются они между собой в первую очередь отсутствием/наличием отвода от базы.
В двухвыводных фототранзисторах извне имеется доступ только к коллектору и эмиттеру. Это затрудняет стабилизацию рабочей точки и делает фотоприбор зависимым от температуры окружающей среды, особенно при слабом освещении.
Двухвыводные фототранзисторы и малогабаритные фотодиоды визуально похожи как «близнецы-братья». Выяснить, «что есть что», помогает прозвонка выводов омметром. Испытательное напряжение на его зажимах должно быть не менее 0.7 В. Если сопротивление в одном направлении значительно больше, чем в другом, значит это фотодиод. Если большое сопротивление прозванивается в двух направлениях, значит это фототранзистор (или вышедший из строя фотодиод).
Трёхвыводные фототранзисторы встречаются реже двухвыводных. Для их подключения применяют обычную транзисторную схемотехнику, а именно, стабилизируют рабочую точку при помощи делителей на резисторах, вводят обратные связи, термокомпенсацию и т.д.
На Рис. 3.48, а…е показаны схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК. На Рис. 3.49, а…з показаны схемы с транзисторными усилителями, на Рис. 3.50, а…г - с усилителями на микросхемах.
Рис. 3.48. Схемы непосредственного подключения фототранзисторов к МК:
а) фототранзистор 5L/ включается по схеме усилителя с общим эмиттером. Допускается его работа в режиме микротоков коллектора (большое сопротивление резистора RI), но при этом ухудшается температурная стабильность. Вместо входа АЦП МК часто используют обычную цифровую линию порта с пороговой фиксацией состояния «есть свет»/«нет света»;
б) параллельное включение фототранзисторов BL1, 5L2 увеличивает световую чувствительность. Фототранзисторы выполняют логическую функцию «ИЛИ» для сигналов от разных источников света. Конденсатор С/ снижает импульсные помехи. Запараллеленных фототранзисторов может быть больше, чем два;
в) фотоприёмник импульсных и модулированных световых сигналов. На медленные изменения освешённости устройство не реагирует из-за разделительного конденсатора С/. Вместо резистора можно использовать внутренний «pull-up» резистор МК;
г) фототранзистор BLI включается по схеме эмиттерного повторителя. Конденсатор С/ снижает импульсные «световые» помехи и мошные электрические наводки, которые могут «просачиваться» на вход МК, когда фототранзистор находится в закрытом состоянии;
д) втрёхвыводном фототранзисторе BLI отвод базы используется для организации обратной связи через транзистор VTI. Фильтр RI, С1 блокирует сигналы светового потока с частотой модуляцией ниже 100 Гц (для устранения срабатывания датчика от «мерцания» ламп накаливания);
е) конденсатор С/ и транзистор VT1 организуют «световой ФВЧ» для подавления сигналов светового потока с частотой модуляции ниже 80 Гц. Это препятствует прохождению на вход МК помех, вызванных «мерцанием» ламп накаливания сети 50 Гц.
а) входной узел «светового пистолета» от игровой видеоприставки «Dendy». Фототранзистор BL1 направляется на экран телевизора. Резистором /?2 регулируют дальность приёма;
б) полевой транзистор VTI осуществляет согласование сопротивлений RI и R2\
в) двухкаскадный усилитель на транзисторах разной проводимости КГ/, КТ’2 обеспечивает повышенную чувствительность фотодатчика ВИ\
г) улучшенный вариант фотодатчика для «светового пистолета» с авто подстрой кой под разную яркость фона. Элементы VTI, R1, R2, образуют динамический стабилизатор тока;
д) резистором R2 побирается такое положение, чтобы транзистор VTI был открыт при отсутствии освещения фототранзистора BLL Конденсатор С1 фильтрует помехи;
е) триггер Шмитта на полевых транзисторах VTI, КТ’2 определяет порог срабатывания фотодатчика BL1. Конденсатор С1 устраняет импульсные «световые» помехи;
ж) диоды VD1, повышают помехоустойчивость усилителя на транзисторе VTI\0
з) трёхкаскадный усилитель на транзисторах КГ/… с визуальной индикацией приёма посылок от инфракрасного датчика ^L/ светодиодом HL1.
Рис. 3.50. Схемы подключения фототранзисторов к МК через усилители на микросхемах:
а) фототранзисторный датчик BLI с интегральным компаратором DAI wc широким диапазоном регулирования параметров при помощи двух переменных резисторов R2, R3\
б) триггер Шмитта на логической микросхеме DZ)/улучшает помехоустойчивость и увеличивает крутизну фронтов сигналов, поступающих от фоготранзистора ВИ\
в) фототранзистор ^L/для повышения точности срабатывания подключается к внешнему интегральному компаратору DA1. Конденсатор С/ увеличивает крутизну фронтов сигналов;
г) полосовой фильтр на микросхеме тонального декодера DA / (фирма National Semiconductor) обрабатывает им пул ьсно-модулированные световые сигналы, принимаемые фототранзистором BLI. Центральная частота фильтра определяется по формуле /^„[кГц] = 1 / (/?2[кОм]-С4[мкФ]). Полоса пропускания фильтра обратно пропорциональна ёмкости конденсатора С2. Резистором /?/устанавливается оптимальный уровень входного сигнала для DAI в диапазоне 100…200 мВ.
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.
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.
