Датчик света представляет собой устройство, которое дает возможность оценить уровень освещения в окружающей среде. Зачем нужен такой датчик? Например, он используется в системах уличного освещения, где требуется включать лампы лишь тогда, когда наступает ночь, тем самым экономя электроэнергию.
Как сделать датчик света
СмартПульс — оставайтесь в курсе самых современных технологий! На нашем сайте вы найдете новости, статьи и обзоры о мобильных устройствах, компьютерах, комплектующих, а также радиолюбительских конструкциях.
Главная — DIY (Сделай сам!) — Изготовление датчика освещенности своими руками из сломанного калькулятора с солнечной панелью (или любой другой солнечной панели).
Статья-руководство
Как сделать датчик освещенности своими руками из разбитого калькулятора с солнечной панелью (или из любой солнечной панели)
Предисловие
Датчик освещенности, процесс создания и эксплуатации которого будет рассмотрен далее, предназначен для оценки уровня мерцания как потолочных источников света, так и дисплеев электронных устройств. Это качество мерцания является одним из ключевых для определения комфортности восприятия света.
Мерцание света является важным фактором, который может вызвать усталость глаз во время работы с источниками света и экранами. Многие из таких мерцаний могут быть незаметны, однако они оказывают негативное влияние на здоровье.
Мерцание — это не единственная проблема, с которой сталкиваются глаза; существуют и другие негативные факторы. К ним относятся неблагоприятный спектральный состав света, чрезмерная или недостаточная яркость, а также высокая контрастность окружающей световой среды. Последние два аспекта обычно очевидны, в то время как мерцание может быть более трудным для выявления.
(щелкните для увеличения, откроется в новом окне)
На фотографии представлена подготовленная часть датчика освещенности, вырезанная из сломанного калькулятора. Далее пойдет речь о том, как доработать эту деталь и сделать её пригодной для оценки уровня освещения.
Извлечение солнечной панели из разбитого калькулятора
Калькулятор функционировал на протяжении нескольких десятилетий, но неожиданное падение привело к повреждению дисплея:
Передняя алюминиевая панель калькулятора была снята, но солнечная панель осталась приклеенной к пластиковому корпусу, что усложнило её извлечение. В результате было принято решение аккуратно вырезать панель вместе с частью корпуса, к которой она крепилась.
Так выглядит калькулятор с обратной стороны после разборки:
В левом верхнем углу заметна «кроватка» для солнечной панели, она приклеена с лицевой стороны.
С помощью ножовки или другого тонкого инструмента мы аккуратно вырезаем «кроватку», получая почти завершенный датчик освещенности:
Солнечная панель «в исходном состоянии» (без дополнительной схемы) также будет реагировать на свет, однако её эффективность будет весьма ограниченной.
Чтобы повысить результаты, необходимо подключить к панели нагрузку (резистор). Это позволит улучшить ее характеристики на линейном участке, а также уменьшит постоянную времени выходной цепи, что даст возможность получить сигнал, который будет лучше отражать изменения освещенности.
Итоговый вид датчика освещенности выглядит следующим образом:
Устройство охранной сигнализации с самоблокировкой
Надежное устройство охранной сигнализации с самоблокировкой представлено на принципиальной схеме (рис. 1).
Рис 1. Охранная сигнализация с самоблокировкой.
Данное устройство функционирует как детектор света: светодиод HL1 загорается, если на фотодатчик — фоторезистор PR1 не воздействует ни естественный, ни электрический свет. На практике этот электронный узел может быть использован для контроля зоны безопасности вокруг дома или на дачном участке.
Пока фоторезистор PR1 освещен, его сопротивление остается низким, что не позволяет тиристору VS1 открыться. Как только свет на фотодатчик перестает поступать, его сопротивление возрастает до 1.5 МОм, и это приводит к зарядке конденсатора С1 от источника питания.
В результате тиристор VS1 открывается, что включает светодиод HL1. Кнопка S1 предназначена для сброса устройства в исходное состояние.
Вместо светодиода HL1 (и подключенного последовательно ограничивающего ток резистора R2) можно использовать маломощное электромагнитное реле типа РЭС 10 (согласно паспорту 302, 303), РЭС 15 (по паспорту 003) или аналогичное с током срабатывания в пределах 15-30 мА. При увеличении напряжения источника питания ток, потребляемый реле, также возрастает.
Вместо тиристора КУ101А можно использовать любые тиристоры из серии КУ101. Фотодатчик PR1 состоит из двух параллельно соединенных (для повышения чувствительности не требуется дополнительный усилитель сигналов) фоторезисторов СФЗ-1. Конденсатор С1 может быть типа МБМ, КМ или аналогичным.
Светодиод может быть любым из стандартных моделей. Все постоянные резисторы должны быть типа МЛТ-0/25. Кнопка S1 может иметь любое исполнение; в исходной версии использован микропереключатель МПЗ-1.
Датчик освещенности на ОУ
На рис. 2 представлена схема датчика освещенности с усилителем, выполненным на базе операционного усилителя К140УД6.
Рис. 2. Схема датчика освещенности на ОУ.
Резистор положительной обратной связи R4 вводит в схему петлю гистерезиса, что необходимо для предотвращения паразитных колебаний. Без этой обратной связи, если узел использует источник питания с напряжением более 11 В, в схеме могут возникать паразитные колебания (усилитель может самовозбуждаться, что приведет к ложным срабатываниям реле).
Сопротивление резистора R4 рассчитано для источника питания с напряжением 12 В. Если напряжение Un увеличивается, то сопротивление резистора R4 следует подбирать более точно. Чувствительность устройства может регулироваться переменным резистором R3.
Операционный усилитель DA1 работает по классической схеме с коэффициентом усиления, равным 1. Диод VD1 защищает транзистор VT1 от негативных эффектов, таких как обратные напряжения, которые могут возникнуть при срабатывании реле.
Вместо микросхемы К140УД6 можно использовать совместимые операционные усилители К140УД608, К140УД7, без каких-либо изменений в схеме. Конденсатор С1 служит для фильтрации высокочастотных помех на выходе. Транзистор VT1 можно заменять на КТ315А, КТ315В, КТ312А, КТ312В. Переменный резистор R3 должен быть типа СПЗ-1ВБ.
Разновидности устройств
В зависимости от назначения и функций, устройства управления освещением подразделяются на несколько основных категорий.
С интегрированным фотоэлементом (датчиком освещенности)
Подобные устройства часто являются составной частью определенного осветительного прибора и могут устанавливаться на улице. Они отличаются высокой степенью защиты от влаги и пыли, не менее IP44.
Данные устройства предназначены для работы только с тем прибором, в который они интегрированы.
С выносным детектором освещенности
Электронный блок может размещаться в электрощитке или другом защищенном от неблагоприятных погодных условий месте; поэтому к нему относятся менее строгие требования по уровню защиты. Достаточно показателей IP20. Датчик освещенности устанавливают снаружи и подключают с помощью проводки к электрощиту. Требования к уровню защиты IP для выносного датчика аналогичны тем, что предъявляются к уличным моделям, не менее IP44.
Такое разделенное устройство позволяет создать щиты автоматизации и управления уличным освещением, в которых сумеречный выключатель выступает в роли одного из элементов сложной многоуровневой схемы.
При подключении контактов светового реле к электромагнитному устройству или мощному внешнему реле открывается возможность управления нагрузками большой мощности, что особенно актуально для систем освещения автопарковок, супермаркетов или уличных дорог.
На разные уровни напряжения
Электропитание сумеречного выключателя может работать на разных уровнях напряжения, таких как 12, 24, 220 или 380 Вольт. Имеются модели с более широким диапазоном питающих напряжений, от 12 до 264 В. Модели, работающие на низком напряжении (12 и 24 В), могут применяться в схемах, использующих другие источники электроэнергии, такие как солнечные панели или ветроэлектрические установки с аккумулятором.
Существует множество видов устройств управления освещением. В их числе имеются как обычные с функцией включения/выключения, так и более сложные профессиональные модели с расширенными возможностями (встраиваемые таймеры, календари событий, возможности управления дежурным и основным освещением).
Для упрощения настройки и контроля за работой системы, приборы оснащены дисплеями. Наличие энергонезависимой памяти позволяет сохранять введенные установки.
Структура сумеречного выключателя
Ключевым элементом светового реле является фотодетектор, в схемах могут использоваться транзисторы, диоды, фотосопротивление (фоторезистор) или фотоэлементы. При изменении величины светового потока, попадающего на фотоэлектрический элемент, будут изменяться такие характеристики, как электросопротивление резистора, состояние перехода (наносимая подложка) в полупроводниковых триодах и диодах, а также напряжение на выводах фотоэлемента.
Затем сигнал обрабатывается усилителем и сравнителем (компаратором, где может использоваться операционный усилитель типа К140УД6, К140УД7 или аналогичные), что приводит к переключению двухтактного эмиттерного повторителя, который отключает или включает нагрузку.
В качестве выходных элементов управления используются реле или симметричный тиристор. При подключении светового реле обязательно ознакомиться с практическими рекомендациями, в том числе по максимально допустимой мощности выхода, а также видам используемых ламп (светодиоды, газоразрядные, лампы накаливания).
Важно понимать, что фотореле с тиристорным выходом не может функционировать с энергосберегающими лампами, которые не предназначены для этого, и их следует подключать через регулятор мощности для предотвращения неисправностей лампы. Этот аспект необходимо учитывать, чтобы избежать проблем с работоспособностью светового реле и лампочками. Теперь разберем несколько схем для сборки светового реле самостоятельно.
Программа
С подключением фоторезистора по простой схеме начнем написание программы. Первое, что мы сделаем, это выведем необработанный сигнал с аналогового входа в последовательный порт, чтобы понять, как изменяется значение на входе A0. Соответствующая программа имеет следующий вид:
const int pinPhoto = A0; int raw = 0; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(pinPhoto, INPUT); } void loop() { raw = analogRead(pinPhoto); Serial.println(raw); delay(100); }
Запустив эту программу в нашей лаборатории, мы получили следующие значения с датчика:
А теперь просто закроем датчик рукой:
Как видно, значение сильно меняется: от 830 при прямом солнечном свете до 500 в условиях затенения (когда преграда закрывает путь света). Учитывая такое поведение, мы можем установить порог срабатывания. Пусть это порог будет, скажем, 600. Мы не ставим ровно 500, потому что хотят избежать случайных срабатываний. Предположим, что над датчиком пролетит муха — и это немного затенит его, показав 530.
Подойдет и добавление в программу определенного действия, которое будет происходить в том случае, если уровень освещенности оказывается ниже заданного порога. Самое простое, что можем сделать, это зажигать встроенный светодиод на Ардуино под номером 13. Получаем такую программу:
const int pinPhoto = A0; const int led = 13; int raw = 0; void setup() { pinMode(pinPhoto, INPUT); pinMode(led, OUTPUT); } void loop() { raw = analogRead(pinPhoto); if (raw < 600) { digitalWrite(led, HIGH); } else { digitalWrite(led, LOW); } delay(100); }
Теперь закрываем датчик рукой (или выключаем свет в комнате) — светодиод загорается. Убираем руку — он гаснет. Функциональность очевидна. А теперь представьте себе, что вместо светодиода зажигается реле, включающее свет в вашем подъезде. Получается идеальное устройство для экономии электричества. Или же используется этот датчик на роботе, который будет ложиться спать при наступлении ночи, как и вы? В общем, как говорил профессор Фарнсворт, у датчика света есть тысяча и одно применение!
Такой модуль удобен для создания прототипов или для реализации школьных мини проектов, которые не должны быть чувствительными к простым физическим воздействиям.
Кроме того, для измерения освещенности в люксах инженеры-осветители используют более сложные датчики — люксметры. Эти устройства призваны воспринимать свет подобно тому, как это делает человеческий глаз. Модуль люксметра также можно легко подключить к Ардуино, но об этом мы поговорим в другом уроке.
Схема миниатюрного датчика освещенности
Различные типы автоматических выключателей, реагирующих на изменения освещения, часто разрабатываются электрониками и активно используются в различных сферах. Их популярность продолжает расти, особенно с увеличением использования светодиодного освещения.
На электрической принципиальной схеме фотореле изображены основные элементы, а подробная схема сборки представлена ниже. Это достаточно простая схема, в которой при наступлении темного времени суток сопротивление фоторезистора PH1 возрастает. Это открывает транзистор Т1 и включает реле РК1.
Конденсатор С2 обеспечивает защиту схемы от вспышек света, стабилизируя сигнал в определенном диапазоне, если схема оказывается близко к порогу срабатывания. Сопротивление фоторезистора может варьироваться от сотен Ом до десятков кОм при изменениях освещения от дневного к ночному. Чувствительность датчика можно настраивать изменением сопротивления резистора R1. Исполнительное устройство — реле с допустимой нагрузкой на контакты до 2 А.
Коммутатор может получать питание от источников напряжением 12 В постоянного тока (от бытовых источников питания, батарей или аккумуляторов). Ток при нерабочем состоянии с включенным фоторезистором составляет 250 мкА, а в темноте, с включенным реле — 18 мА.
SMD-элементы монтируются с одной стороны, а фоторезистор, реле и разъемы — с другой стороны корпуса. Установку фоторезистора нужно производить под реле, а соответствующий изгиб выводов необходимо осуществлять перед монтажом реле.
Датчик освещения на 220 В
Выключатели, реагирующие на изменения освещения, остаются весьма популярной темой применения в электронике и автоматизации. На этот раз мы предлагаем вам создать простую систему таких выключателей, которая будет работать с стандартной сетью переменного тока 230 В.
Описание работы устройства
Принципиальная схема выключателя представлена на рисунке 1, а схема сборки на рисунке 2. Исполнительным устройством, управляющим лампой, является реле с нагрузочными контактами до 1 А.
Питание устройства осуществляется от бытовой сети с напряжением 220 В через специальные неподключенные схемы, включающие резистор R1, емкости С1…С3 и диоды D1…D4. Конденсатор С1 ограничивает ток, подводимый к устройству от сети, а резистор R1 защищает диоды D1-4 от перегрузок, которые могут возникнуть при соединении устройства к сети.
Полупроводники D3 и D4 рассматриваются как стабилитроны, которые стабилизируют напряжение питания близко к 12 В. Конденсаторы С2 и С3 служат для фильтрации. Как только световой поток, попадающий на фоторезистор РН1, ослабевает, его сопротивление увеличивается. Это приводит к открытию транзистора Т1, и реле РК1 замыкает свои контакты, подавая сетевое напряжение на контакты CON2.
Конденсатор С4 предотвращает потери от кратковременных вспышек света. Он предотвращает колебания уровня сигнала, если освещение на границе срабатывания. Сопротивление фоторезистора при дневном свете легко определяется как величина в сотни Ом, а в темноте оно возрастает до десятков кОм.
Уровень срабатывания реле установлен изначально, но его можно откорректировать, подбирая значение резистора R2.
Важно проявлять осторожность при подключении устройства к 220 В, так как система работает напрямую без гальванической развязки!
Перечень элементов схемы
Главные параметры компонентов указаны в принципиальной схеме. Рассмотрим подробнее комплектующие:
- R1 — 100 Ом/1 Вт;
- R2, R3 — 4,7 кОм;
- PH1 — фоторезистор FR28/500;
- C1 — 470 нФ/400 В;
- C2 — 220 мкФ /16 В;
- C3 — 100 нФ;
- C4 — 100 мкФ/16 В;
- D1, D2, D5 — 1N4007;
- D3, D4 — 1,3 Вт/12 В;
- T1 — BC516;
- CON1, CON2 — ARK2;
- PK1 — реле JRC27F.
Также представлена еще одна идея относительно прибора включения света, которую можно легко реализовать своими силами. Подробности можно найти в следующем видео.
