Виктор Борисов - Юный радиолюбитель [7-изд]
Главное в работе фотореле — перепад тока, заставляющий срабатывать электромагнитное реле. При этом в зависимости от выбранного усилителя электромагнитное реле может срабатывать не при освещенном, а, наоборот, при затемненном фотоэлементе. Итог же один — свет, падающий на фотоэлемент, управляет цепью исполнительного механизма, которым могут быть электродвигатель, система освещения, приборы и многое другое.
Предлагаю для экспериментов и конструирования три варианта фотореле с разными светочувствительными датчиками.
Схема первого варианта фотореле приведена на рис. 255, а. В нем в качестве фотоэлемента используется маломощный низкочастотный транзистор V1 (МП39-МП42). Отбери транзистор с коэффициентом h21Э не менее 50 и с возможно меньшим током IКБО. Верхнюю часть корпуса транзистора осторожно спили лобзиком, а затем поверхность кристалла очисти от попавших на нее металлических опилок. Во избежание попадания пыли и влаги на кристалл корпус необходимо закрыть тонкой прозрачной полиэтиленовой или лавсановой пленкой. Получается фототранзистор.
Как работает такой вариант фотореле? В исходном состоянии, когда светочувствительный элемент затемнен, оба транзистора закрыты. При освещении кристалла транзистора V1 обратное сопротивление его коллекторного перехода уменьшается, что ведет к резкому возрастанию тока коллектора. Этот ток усиливается транзистором V2. При этом реле К1, являющееся нагрузкой транзистора V2, срабатывает и своими контактами К1.1 включает цепь управления.
Регулировка фотореле сводится к установке режимов работы транзисторов. Надо, подобрать такое сопротивление резистора R1, чтобы при затемненном фототранзисторе через обмотку реле протекал ток 5–8 мА. Резистор R2 в этом автомате выполняет роль ограничителя тока базовой цепи транзистора V1, a R4 — в коллекторной. Электромагнитное реле К1 может быть типа РСМ, РЭС с обмоткой сопротивлением 200–700 Ом или самодельное.
Фотореле будет работать значительно лучше, если световой поток будет попадать на фототранзистор через небольшую линзу, в фокусе которой находится его кристалл.
Схема второго варианта фотореле показана на рис. 255, б. Оно отличается от первого варианта фотореле в основном лишь тем, что в нем светочувствительным датчиком служит фоторезистор R1. Включен он в цепь базы транзистора V1 последовательно с резистором R2, ограничивающим ток в этой цепи. Темновое сопротивление фоторезистора велико. Коллекторный ток транзистора в это время мал. При освещении фоторезистора его сопротивление уменьшается, что приводит к увеличению тока базовой цепи. Возросший и усиленный двумя транзисторами фототок течет через обмотку электромагнитного реле К1 и заставляет его срабатывать — контакты К1.1 включают цепь управления. Для такого варианта фотореле можно использовать фоторезисторы типов ФСК-1, ФСК-2. Электромагнитное реле должно быть рассчитано на ток срабатывания 10–12 мА (сопротивление обмотки 200–400 Ом).
В третьем варианте фотореле, схема которого изображена на рис. 255, в, роль датчика выполняет фотодиод V1 типа ФД-1 или ФД-2.
Рис. 255. Варианты фотореле
Электромагнитное реле К1 такое же, как в первых вариантах фотореле. Здесь фотоэлемент и резистор R1 образуют делитель напряжения источника питания, с которого на базу транзистора V2 подается отрицательное напряжение смещения. Пока фотодиод не освещен, его обратное сопротивление (а включен он в цепь делителя в обратном направлении) очень большое. В это время напряжение смещения на базе транзистора определяется в основном только сопротивлением резистора R1. Транзистор V2 при этом открыт, а транзистор V4 закрыт. Контакты К1.1 реле К1 разомкнуты. Но стоит осветить фотодиод, как тут же его обратное сопротивление и падение напряжения на нем уменьшатся, отчего транзистор V2 почти закроется, а транзистор V4, наоборот, откроется. При этом реле К1 сработает и его контакты К1.1, замыкаясь, включат исполнительную цепь. При затемнении фотодиода его обратное сопротивление вновь увеличится, транзистор V2 откроется, транзистор V4 закроется, а реле К1, отпуская, своими контактами разорвет исполнительную цепь.
Какова в этих фотореле роль диодов V3, шунтирующих обмотки электромагнитных реле? В те моменты времени, когда транзистор усилителя переходит из открытого состояния в закрытое и ток коллекторной цепи резко уменьшается, в обмотке реле возникает электродвижущая сила самоиндукции, поддерживающая убывающий ток в коллекторной цепи. При этом мгновенное суммарное напряжение ЭДС самоиндукции и источника питания электронного реле значительно превышает максимальное допустимое напряжение на коллекторе и р-n переходы транзистора могут быть пробиты. По отношению к источнику питания автомата диод включен в обратном направлении, а по отношению к ЭДС самоиндукции в прямом и, следовательно, гасит ее, предотвращая тем самым порчу транзисторов. Диод может быть как точечным, так и плоскостным, с обратным напряжением не менее 30 В.
Питать фотореле и освещающую его лампу можно как от батарей, так и от выпрямителя с выходным напряжением 9-12 В. Выпрямитель можно смонтировать в том же светонепроницаемом ящичке (рис. 256), где будет само фотореле. Прямой посторонний яркий свет не должен попадать на датчик фотореле.
Рис. 256. Конструкции фотореле и осветитeля
Четкость срабатывания любого из фотореле, о которых я здесь тебе рассказал, в значительной степени зависит от его осветителя. Наиболее эффективно фотореле будет работать, если осветитель дает узкий и яркий пучок света в направлении точно на фотоэлектронный датчик. Осветитель можно сделать в виде металлический или картонной трубки длиной 120–220 и диаметром 28–30 мм. Внутри трубки на одном конце укрепи малогабаритную лампу накаливания, рассчитанную на напряжение 9-12 В (например, автомобильную), а на другом собирательную линзу (например, круглое очковое стекло) с фокусным расстоянием 100–120 мм. Взаимное расположение линзы и лампы в осветителе подбери опытным путем так, чтобы свет выходил из осветителя узким пучком.
Как можно использовать фотореле? По-разному. Можно, например, фотореле установить у входа в школу, чтобы оно включало светящуюся надпись: «Добро пожаловать». Или смонтировать его перед стенной газетой, чтобы автоматически включалась подсветка газеты, когда к ней подходят ребята. Его можно установить на модели конвейера, имитирующего погрузку ящиков с готовой продукцией. Всякий раз, когда «ящик» пересекает луч света, срабатывает электромеханический счетчик, включенный в исполнительную цепь, или вспыхивает сигнальная лампа.
Вообще же фотореле является полезнейшим учебно-наглядным пособием для физического кабинета школы. Большим успехом оно будет пользоваться и на вечерах, посвященных технике сегодняшнего дня.
АВТОМАТ ВКЛЮЧЕНИЯ УЛИЧНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Датчик фотореле можно разместить и на улице, защитив его от прямого попадания искусственного света. Тогда реле будет срабатывать с наступлением ночного времени суток и автоматически включать питание лампы уличного освещения или лестничной клетки, а утром выключать ее.
Принципиальную схему возможного варианта такого автомата ты видишь на рис. 257. Он аналогичен фотореле по схеме на рис. 255, б, но более чувствителен, так как для его питания используется более высокое напряжение — около 18 В.
Рис. 257. Схема автомата включения освещения
Контакты К1.1 электромагнитного реле К1, используемого в автомате, нормально замкнутые. В ночное и вечернее время суток фоторезистор R1 (ФСК-1) освещен очень слабо и его сопротивление составляет несколько сотен килоом. При этом коллекторные токи транзистора V1, в базовую цепь которого включен фоторезистор, и транзистора V2, база которого соединена непосредственно с эмиттером первого транзистора, не превышает тока опускания электромагнитного реле К1. В это время осветительная лампа Н1, подключенная к электроосветительной сети через нормально замкнутые контакты К1.1 реле, горит.
С наступлением рассвета фоторезистор освещается все сильнее и его сопротивление уменьшается до 80-100 кОм. При этом коллекторные токи транзисторов усилителя увеличиваются. При токе 20–25 мА реле срабатывает и его контакты, размыкаясь, разрывают цепь питания осветительной лампы. А вечером, когда сопротивление фоторезистора снова начнет увеличиваться, а коллекторные токи соответственно уменьшаться, реле отпустит и замыкающимися контактами включит освещение.
Выпрямитель автомата двухполупериодный. Он выполнен на диодах V6-V9 серии Д226А (или Д7Ж), включенных по мостовой схеме. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтрующим конденсатором С1 и стабилизируется двумя стабилитронами V4 и V5 серии Д809 (можно Д814Б), соединенными последовательно. Номинальное напряжение конденсатора С1 не должно быть меньше 25 В. Конденсатор С2, роль которого аналогична резистору, гасит избыточное напряжение переменного тока, подаваемое от сети к выпрямителю. Конденсатор должен быть бумажным на номинальное напряжение не менее 300 В. Для сети напряжением 127 В емкость его должна составлять 1 мкФ.
