Схема с фоторезистором: Три схемы фотодатчиков на фоторезисторах

Содержание

Три схемы фотодатчиков на фоторезисторах

Различные схемы фотореле, опубликованные в радиолюбительской литературе, что называется на любой вкус и цвет. С трудом можно найти какое-нибудь свежее решение.

Фотореле на микросхеме КР1564ТЛ2

Предлагаемая схема (рис. 1), как нам представляется, оригинальна. В качестве фотодатчика служит распространенный фоторезистор СФЗ-1.

Рис.1. Принципиальная схема фотореле на фоторезисторе.

Он преобразует световой сигнал, улавливаемый чувствительной поверхностью, в электрические колебания, которые затем поступают на вход порогового детектора на одном элементе микросхемы D1.1 типа КР1564ТЛ2.

Эта микросхема состоит из шести однотипных элементов-логических инверторов с триггерами Шмитта. На втором элементе D1.2 реализована схема задержки времени включения нагрузки.

Чувствительность схемы (порог переключения триггера Шмитта) плавно регулируется переменным резистором R1, который совместно с фотодатчиком образует делитель постоянного напряжения. Желательно применить многооборотистый прибор, типа СП5-1.

Когда темно-инвертирующий выход D1.1 (выв. 2) в состоянии высокого логического уровня (лог. 1) и конденсатор С2 быстро разряжается через резистор R4, благодаря диоду VD1. Когда освещение попадает на фоторезистор PR, — на выв. 2 элемента лог. 0.

Далее сигнал поступает на схему временной задержки. В результате зарядки конденсатора С2 через резистор R3 до напряжения порога срабатывания элемента D1.2 выдержка времени существенно может изменяться в зависимости от номиналов С2 и R3 от нескольких секунд до минут.

Зарядившись, конденсатор С2 перебрасывает триггер в другое устойчивое состояние, и на выходе D1.2 (выв. 4) оказывается высокий логический уровень (лог. 1). Транзистор VT1 открывается, на реле К1 поступает напряжение питания и реле коммутирует нагрузку. Диод VD2 препятствует броскам обратного тока при включении/выключении реле.

Схема очень проста и не требует настройки, кроме установки резистором R1 порога срабатывания триггера в зависимости от освещенности конкретного объекта.

Транзистор VT1 можно заменить на КТ312(А“В), КТбОЗ(А-Б), КТ608Б, КТ801(А, Б). К1 -маломощное реле РЭС15, паспорт (003), или аналогичное, на напряжение срабатывания сообразно напряжению питания схемы.

Питание схемы некритично и осуществляется от любого стабилизированного блока питания с выходным напряжением 9…14 В. Ток, потребляемый схемой от источника питания в пассивном режиме (фоторезистор не освещается), не превышает 2…3 мА. При включении реле, ток увеличивается до 20 мА.

Надежное фотореле на микросхеме К561А7

При управлении мощной нагрузкой или нагрузкой в сети 220 В необходимо применять другое реле, обеспечивающее надежность и безопасность работы устройства.

На рис. 2. показана аналогичная схема чувствительного фотоавтомата с применением логических элементов микросхемы КМОП К561А7. Устройство имеет отличительную особенность -при затемненности фоторезистора PR реле К1 включено. Подразумевается, что своими контактами реле коммутирует исполнительную цепь нагрузки.

При резком освещении фоторезистора (например, включении света в помещении) триггер Шмитта на логических элементах D1.1-D1.3 переключается, реле К1 отпускает и нагрузка обесточивается.

А вот при плавном увеличении освещенности, таком как рассвет устройство включает нагрузку также резко -при достижении сигнала на входе триггера порогового уровня переключения триггера Шмитта. Усилитеь на транзисторе VT1 преобразует изменение сопротивления фоторезистора PR (СФЗ-1) в электрический ток.

Рис. 2. Схема надежного фотореле на микросхеме К561А7.

Когда чувствительная поверхность фоторезистора освещена -транзистор ѴТ1 открыт и сигнал высокого уровня через развязку на диодах VD1, VD2 поступает на вход независимых инверторов.

Цепь R4C1R5 обеспечивает задержку в 2,5-3 мин, из-за чего сигнал высокого уровня, проходящий свободно через диод VD2, поступает на вход элемента D1.2 только после того, как зарядится через резистор R4 конденсатор С1, обеспечивающий временнную составляющую задержки.

После этого на выв. 8 элемента D1.3 будет лог. 1 и на его выв. 9 — тот же уровень. Соответственно на выходе этого инвертора (выв. 10) окажется низкий логический уровень, а на выходе элемента D1.4 — высокий логический уровень.

В результате открывается ключевой транзистор ѴТ2 и включается реле. Благодаря задержке включения устройство может испоьзо-ваться с любым типом реле — дребезг контактов отсутствует.

Применение этой схемы эффективно в ситуациях с плавным изменением освещенности объекта. Переменный резистор R1 регулирует чувствительность фотодатчика.

Фотореле с бестрансформаторным питанием

Схема на рис. 3отличается бестрансформаторным сетевым питанием и тиристорным управлением активной нагрузки. В основе ве — транзисторный переключатель с бестрансформаторным питанием от сети 220 В, включающий лампу освещения HL1.

Рис. 3. Схема фотореле с бестрансформаторным питанием.

Мощность лампы имеет ограничение в 100 Вт, что обусловлено параметрами мощности тиристора VS1, управляющего лампой. Такая мощность лампы достаточна для освещения любого предмета, находящегося на антресоли.

На лампу HL1 выпрямленное напряжение поступает с выпрямителя, включенного по мостовой схеме на диодах VD4-VD7. Вместо указанных на схеме диодов можно использовать готовый выпрямительный мост, рассчитанный на обратное напряжение не менее 300 В, например КЦ405А.

Тиристор включается триггером Шмитта, состоящим из составных транзисторов ѴТ1, ѴТ2 и транзистора ѴТЗ. С наступением сумерек под влиянием изменяющегося сопротивления фоторезисторов PR1, PR2 (они включены параллельно для лучшей чувствительности) потенцил базы транзисторов ѴТ1, ѴТ2 возрастает и они открываются.

Колекторное напряжение транзистора ѴТ2 в это время уменьшается, вследствие чего транзистор ѴТЗ оказывается закрытым. Коллекторное напряжение транзистора ѴТЗ через диод VD1 открывает тиристор VS1, который включает лампу HL1.

Кремниевый диод VD2 в эмиттерной цепи транзистора ѴТЗ служит для уменьшения гистерезиса (разницы пороговых уровней переключения) триггера Шмитта. Благодаря этому порог переключения мал, т. е. лампа не мерцает и не мигает в переходный момент освещенности фотоэлементов.

При освещении фоторезисторов триггер Шмитта переключается, изменяя свое первоначальное состояние. Тиристор закрывается, прекращая подачу питания на лампу HL1. Триггер Шмитта и часть схемы с чувствительным фоторезистором питаются стабилизированным напряжением +10…+14 В.

Этот параметр зависит от номинала стабилитрона VD3. Уровень чувствительности узла (срабатывания фотопереключателя) регулируется изменением сопротивления переменного резистора R8.

При размещении фотоэлемента в корпусе устройства необходимо следить за тем, чтобы свет зажженной лампы не попадал на светочувствительную поверхность фоторезисторов, так как в таком случае из-за оптической связи лампа HL1 будет постоянно включаться и выключаться (мигать) в зависимости от параметров (постоянной времени) фоторезисторов.

Собранная без ошибок с исправными радиодеталями схема не нуждается в настройке и начинает работать сразу. Все резисторы, кроме R1, — типа МЛТ-0,25, МЛТ-0,5, а резистор R1 мощностью рассеивания 2 Вт.

Фоторезисторы СФЗ-1 могут быть заменены на другие приборы, сопротивление которых при полной темноте составляет не менее 1МОм, а при освещенности падает до 50 кОм и меньше.

Фоторезисторы можно монтировать как в корпусе основного устройства (авторский вариант), так и с подключением через разъем, — на расстоянии. Главное — провода соединения фотоэлементов со схемой не должны быть длиннее 1 м.

Это условие необходимо выполнить для уменьшения влияния посторонних наводок, провоцирующих узел на ложные срабатывания. В качестве лампы HL1 можно использовать любую активную нагрузку мощностью до 100 Вт.

Литература: А. П. Кашкаров, А. Л. Бутов — Радиолюбителям схемы, Москва 2008.

Схемы фотодатчиков на фоторезисторе СФЗ-1

Фотодатчики и реализованные на их основе электронные устройства, управляющие различными бытовыми приборами, пользуются популярностью у радиолюбителей . Казалось бы, невозможно найти новое схемотехническое решение для таких устройств. .. Тем не менее, рассмотрим три схемы фоточувствительных датчиков, отличающихся простотой и высокой чувствительностью.

Простое и надежное устройство охранной сигнализации с самоблокировкой представлено на принципиальной схеме (рис. 2.17).

Фотодатчик здесь применяется в качестве детектора освещения, светодиод HL1 загорается, если на фотодатчик — фоторезистор PR1 — не попадает солнечный или электрический свет. Этот узел поможет при ограждении зоны безопасности. Пока фоторезистор PR1 освещен, он оказывает малое сопротивление постоянному электрическому току, и падения напряжения на нем не достаточно для отпирания тиристора VS1.

Рис. 2.17. Электрическая схема устройства охранной сигнализации с фоточувствительным датчиком

Если поток света, воздействующий на фотодатчик, прерывается, сопротивление PR1 увеличивается до 15 МОм, и конденсатор С1 начинает заряжаться от источника питания. Это приводит к отпиранию тиристора VS1 и включению светодиода HL1. Кнопка S1 предназначена для возврата узла в исходное состояние. Вместо светодиода HL1 и включенного последовательно с ним ограничивающего ток резистора R2 можно использовать маломощное электромагнитное реле типа РЭС 10 (паспорт РС4.524.302, РС4.524.303), РЭС 15 (паспорт РС4.591.003) или аналогичное с током срабатывания 10—20 мА. При выборе реле следует иметь в виду, что повышение напряжения источника питания ведет к повышению тока срабатывания реле.

В схеме вместо тиристора КУ101А допустимо применить любые приборы серии КУ101. Фотодатчик PR1 — два параллельно соединенных (для лучшей чувствительности — нет необходимости в дополнительном усилителе сигналов) фоторезистора СФЗ-1. Конденсатор С1 — типа МБМ, КМ или аналогичный. Светодиод любой. Все постоянные резисторы — типа МЛТ-0,25. Кнопка S1 может быть любой, например MTS-1, МПЗ-1.

На рис. 2.19 показана схема фотодатчика с универсальным таймером КР1006ВИ1.

Этот простой автомат для включения ночного освещения можно эффективно применять как в городских условиях, так и в сельской местности. Если на фоторезистор (два параллельно подключенных для лучшей чувствительности фоторезистора СФЗ-1) попадает хотя бы слабый дневной свет, транзистор VT1 закрывается, так как сопротивление между его базой и эмиттером значительно меньше, чем сопротивление между его базой и положительным выводом источника питания.

Рис. 2.19. Фотодатчик, совмещенный с таймером

При уменьшении освещенности рабочей поверхности фоторезисторов сопротивление между базой и эмиттером транзистора VT1 возрастает — становится больше 100 кОм. Когда сопротивление между базой VT1 и положительным выводом источника питания оказывается низким, транзистор VT1 открывается. Реле К1 срабатывает и подключает вывод анода тиристора VS1 к «+» источника питания. После этого включается универсальный таймер D1 КР1006ВИ1, и на его выходе (вывод 3) устанавливается напряжение 10,5 В.

Выход этой микросхемы достаточно мощный— позволяет управлять устройствами нагрузки, потребляющими ток до 200 мА, поэтому к выходу D1 можно подключать маломощные реле без ключевого транзисторного каскада. Реле К1 срабатывает и удерживает во включенном состоянии лампу освещения Л1. Вместо лампы Л1 возможно применение другой активной нагрузки с потребляемым током не более 0,2 А (этот параметр обусловлен характеристиками рекомендованного маломощного реле).

Таким образом, нагрузка (электрическая лампа освещения) оказывается включенной всегда, пока на фотодатчик не воздействует минимальный световой поток. Устройство выдержало испытания и работает надежно, оно применяется в авторском варианте для включения лампы освещения при наступлении ночи (фотодатчик обращен к естественному свету). Благодаря высокой чувствительности прибора лампа освещения Л1 выключается при восходе солнца.

Тиристор VS1 — КУ101 с индексами А—Г, КУ221 с любым буквенным индексом. Транзистор VT1 можно заменить на КТ312 с индексами А—В, КТ3102 с индексами А—Ж, КТ342 с индексами А—В. Коэффициент усиления этого транзистора по току h31е должен обязательно быть не менее 40. Реле — любое маломощное, с током срабатывания 10—30 мА при напряжении 12 В, Все постоянные резисторы — типа MЛT-0. 125. Конденсатор С1 — типа КМ. Оксидный конденсатор С2 — типа К50-20 на рабочее напряжение от 16 В. Диоды VD1, VD2 защищают соответственно переход транзистора VT1 и выход микросхемы D1 от бросков переменного тока и препятствуют дребезгу контактов соответствующих реле К1, К2 при их срабатывании. Такие диоды можно заменить на КД522.

Все схемы не притязательны к питающему напряжению, и при использовании в качестве узлов коммутации маломощных реле стабильно работают с бестрансформаторными и трансформаторными стабилизированными источниками питания с выходным напряжением 10—18 В (способными отдать полезный ток не менее 70 мА).

Внимание! Предлагаемые схемы являются, по сути, универсальными параметрическими сигнализаторами. Поэтому в качестве датчиков, вместо фоторезисторов, можно применять другие датчики со схожими электрическими параметрами (min/max сопротивления), например терморезисторы.

Кашкаров А. П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики.

Фотодиод

— Понимание основной схемы фоторезистора

Спецификация этого устройства не очень ясна. В некоторых точках он претендует на то, чтобы заменить датчик CdS (т. е. резистор, сопротивление которого зависит от интенсивности света), а в других точках он кажется фотодиодом (т. свет). Некоторые детали в таблице данных предполагают, что это фотодиод (а не фоторезистор), но я включу в свой ответ оба устройства.

Фотодиод (фотопроводящий режим)

Если это устройство на самом деле является фотодиодом, вы можете использовать очень похожую схему, но принцип работы (и некоторые расчеты) другой.

Фотодиод действует аналогично обычному диоду при обратном смещении, что означает, что он блокирует большую часть тока и небольшие «утечки» тока. По закону Ома выходное напряжение равно току утечки, умноженному на резистор (обозначенный R на схеме в вашем вопросе). Это означает, что выходное напряжение небольшое, даже если устройство находится в полной темноте.

Из-за физики устройства, когда свет попадает на устройство, он пропускает больший ток ¹ . Дополнительный ток вызывает повышение выходного напряжения, опять же из-за закона Ома.

Фототранзистор действует так же снаружи при правильном смещении (т. е. он допускает небольшой ток утечки, а затем гораздо больше при освещении), но принцип работы включает несколько другую физику устройства.

Фотодиод (фотогальванический режим)

Фотодиод также может работать как крошечная солнечная панель — он не имеет обратного смещения при напряжении. Это предотвращает создание фонового шума током утечки, но также уменьшает ток и затрудняет его обнаружение. Для работы такой установки необходима специальная схема, использующая микросхему усилителя.

По причинам, не обсуждаемым здесь, эта схема также медленнее. Вы, вероятно, не будете использовать его, если у вас нет специального приложения, которое требует этого. Кроме того, датчик, который у вас есть, может не подходить для этого режима, поскольку на сайте производителя упоминается «Встроенный усилитель микросигнала CMOS» , возможно, , встроенный в устройство. В даташите об этом не упоминается, как ни странно.

¹ Когда диод смещен в обратном направлении, образуется область, известная как обедненная область. Эта область содержит мало электронов и мало дырок, а это означает, что ток течет с трудом. Свет может создавать новые пары электронов и дырок, которые сразу создают ток.

Элемент CdS / фоторезистор

Если мы рассматриваем это устройство как замену фоторезистору CdS (сульфид кадмия) со схемой, которую вы показываете, мы получаем делитель напряжения. Я собираюсь представить это первым, потому что это самое простое и справедливое предположение для некоторых случаев.

^{смоделируйте эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab}

Предположим, что выход подключен к аналоговому выводу Arduino, что означает, что он потребляет мало тока или вообще не потребляет. Затем ток от батареи определяется как \$\frac{5\,\text{V}}{R_1+R_2}\$, поскольку резисторы включены последовательно. По закону Ома выходное напряжение равно:

$$ 5\,\text{V} + \frac{R_2}{R_1+R_2}$$

Как видите, это напряжение зависит от значения R1, которое меняется со светом.

Почему я должен использовать дополнительный резистор с фоторезистором?

РЕДАКТИРОВАТЬ: Добавлен пример для расчета напряжения в делителе напряжения

Потому что, если вы хотите измерить сопротивление чего-либо, вам нужно подать на него напряжение.
И если вы подаете напряжение, вам нужно как-то измерить это напряжение, и просто измерив между клеммой фоторезистора, которая находится на \$+5\;V\;(V_{cc})\$, и клеммой, которая находится на \$GND\$, вы получаете ровно \$+5\;V\$, напряжение не меняется, независимо от того, насколько велико или мало сопротивление фоторезистора.

^{смоделируйте эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab}

Вы измеряете 5В на схеме выше.

Вы решаете проблему, используя делитель напряжения:

^{смоделируйте эту схему}

Теперь вы можете измерить падение напряжения на резисторе, и по этому значению вы можете определить количество света, которое получает фоторезистор.

Пример:

На второй диаграмме видно, что напряжение приложено к сопротивлениям \$50\;\Omega\$ и \$100\;\Omega\$. Поскольку закон Ома гласит, что \$U=R\cdot I\$ и ток в последовательной цепи должен быть равен, через \$R_1\$ и \$R_2\$ протекает один и тот же ток.
В последовательной цепи ток остается одинаковым, но напряжение распределяется между цепями.
Мы можем записать следующее уравнение:

\$U_{R_1}\$ = \$R_1\cdot I\$

Вы можете спросить, как мы можем рассчитать напряжение, если мы не знаем ток.
Ну, ток нам неизвестен, но мы можем вычислить его по закону Ома.
Запишем исходное уравнение закона Ома иначе:

\$U=R\cdot I\;\Rightarrow\;I=\frac UR\$

Так как в этом случае полное сопротивление равно \$R_1+R_2\ $ (или \$150\;\Omega\$ в нашем примере), уравнение для тока будет \$I=\frac{U}{R_1+R_2}\$.

Мы можем использовать это уравнение, чтобы заменить единственную переменную \$I\$ в вышеупомянутом уравнении.
Таким образом, уравнение для каждого из резисторов будет таким:

\$U_{R_1}\$ = \$R_1\cdot\frac{U}{R_1+R_2}\$

\$U_{R_2}\$ = \$R_2\cdot\frac{U}{R_1+R_2}\$.

Если у нас \$50\;\Omega\$ на \$R_1\$ и \$100\;\Omega\$ на \$R_2\$, то напряжения на них будут

\$U_{R_1} \$ = \$R_1\cdot\frac{U}{R_1+R_2}=50\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+100\;\Omega}=50\ ;\Omega\cdot\frac{5\;V}{150\;\Omega}=50\;\Omega\cdot0,0\dot3\;A=1,\dot6\;V\$

\$U_{R_2}\$ = \$R_2\cdot\frac{U}{R_1+R_2}=100\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+100 \;\Omega}=100\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{150\;\Omega}=100\;\Omega\cdot0,0\dot3\;A=3,\dot3\; В\$.

Если \$R_2\$ изменится (например, меньше освещенности) и его сопротивление повысится до \$150\;\Omega\$, напряжения будут

\$U_{R_1}\$ = \$R_1 \cdot\frac{U}{R_1+R_2}=50\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+150\;\Omega}=50\;\Omega\cdot\ frac{5\;V}{200\;\Omega}=50\;\Omega\cdot0,025\;A=1,25\;V\$.

\$U_{R_2}\$ = \$R_2\cdot\frac{U}{R_1+R_2}=150\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{50\;\Omega+150 \;\Omega}=150\;\Omega\cdot\frac{5\;V}{200\;\Omega}=150\;\Omega\cdot0,025\;A=3,75\;V\$ .