Автомат Управления Освещением

Версия с 1 транзистором описана в конце статьи.

Модель автомата управления освещением, с ИК-фотодиодом, автор - Аня Михайлова

Для уличного освещения актуально, чтобы фонари включались с наступлением темноты. Темнота наступает в разное время в зависимости от времени суток и погодных условий. В связи с этим удобно использовать для управления уличным освещением устройство, реагирующее на уменьшение дневного света. Мы создадим такое устройство на базе фотодатчика и усилительной цепи на транзисторах. Ниже приведена принципиальная схема:

Компоненты:

• VD1 - любой фотодиод
• VD2 - маломощный светодиод
• VT1, VT2 - обычные маломощные NPN-транзисторы с beta >= 100 (например 2SC2001 или BC547)
• R1 - 100k
• R2 - 22k
• R3 - 470k
• R4 - 1k

В качестве фотодатчика выбран фотодиод - при включении в обратном направлении он, как и обычный диод, не пропускает ток - однако только до тех пор пока на него не попадает свет. Световой поток придает дополнительную энергию носителям заряда в кристалле фотодиода, и они начинают понемногу преодолевать потенциальный барьер. Как результат - небольшой ток все-таки начинает течь (десятки микроАмпер).

Принцип работы схемы

Схема состоит из двух частей. В левой части (VD1-R1-VT1-R2) собран усилительный каскад, который превращает слабый токовый сигнал через фотодиод (и базу транзистора) в значительное изменение напряжения на коллекторе транзистора. Правая часть (R3-VT2-R4-VD2) "измеряет" напряжение на выходе первой половины схемы, и в зависимости от него управляет током через светодиод, позволяя включать или гасить его.

Рассмотрим возникающие в схеме сигналы и зависисмости более подробно.

1. Ток через фотодиод VD1 - это тот же самый, который течет через R1 и через база-эмиттерный переход VT1. Назовем его Iфд и условимся что он очень мал. Так мал, что падение на резисторе R1 меньше чем напряжение питания и поэтому резистор просто играет роль "ограничителя на всякий случай", но не влияет на работу схемы.

2. Этот ток, протекая через базу VT1, заставляет транзистор открыться допуская протекание коллекторного тока Iк1 = beta * Iфд.

3. Этот коллекторный ток вызывает падение напряжения на R2 согласно закону Ома. А значит падение на самом транзисторе (между минусом и коллектором) равно разнице между напряжением питания и падением на резисторе (по 2-му закону Кирхгоффа): Uk1 = Uп - Iк1 * R2.

4. Это напряжение мы "снимаем" с помощью резистора R3. Резистор специально выбран с большим сопротивлением, так что он не оказывает влияния на работу левой части.

5. Напряжение "снимается" так: резистор R3 подключен к минусу схемы через база-эмиттерный переход второго транзистора VT2. Падение на этом переходе (как на диоде) мало, около 0.7 В. Поэтому мы можем считать что все напряжение Uk1 падает на резисторе R3, вызывая через него ток (который дальше протекает через базу транзистора): Ir3 = Uk1 / R3.

6. Поскольку этот ток протекает и через база-эмиттерный переход VT2, он вызывает открывание транзистора, позволяя протекать коллекторному току до Ik2 = beta * Ir3. Этот коллекторный ток протекает через светодиод VD1 заставляя его светиться. Если транзистор откроется слишком сильно, то ток будет ограничен за счет резистора R4.

Таким образом мы можем записать полную формулу для тока через светодиод:

Ik2  =  beta * Ir3  =  beta * Uk1 / R3  =  beta * (Uп - Ik1 * R2) / R3  =

     =  beta * (Uп - beta * Iфд * R2) / R3

Отсюда мы видим, что регулировать "порог" срабатывания нашей схемы - т.е. при какой освещенности происходит переключение - можно изменяя величину R2. Он подбирается таким образом чтобы при "достаточной" освещенности, падение на нем было близко к напряжению питания. В таком случае Uk1 будет близко к нулю и второй транзистор окажется закрыт. При снижении освещенности ток через R2 будет уменьшаться, а Uk1 станет расти, открывая транзистор и включая светодиод.

Для того чтобы использовать такую схему в реальном автомате, будет достаточно заменить VD2-R4 например на электромагнитное реле, управляющее высоковольтной цепью. Возможны и другие схемы подключения.

Вариант расположения компонент автомата управления освещением на макетной плате, автор - Аня Михайлова

Версия с 1 транзистором

Можно обойтись одним транзистором, если включить его в режиме эмиттерного повторителя. При этом светодиод перемещается "вниз" по схеме и становится между эмиттером и минусом питания:

Как это работает? Когда фотодиод освещен, падение напряжения на нем становится маленьким, в сравнении с резистором в базовой цепи. А мы помним, что база-эмиттерный переход транзистора схож с обычным диодом: для того чтобы через него тек ток, нужно падение напряжения 0.7 В или больше.

Посмотрим на схему. Разность потенциалов между базой и минусом равна сумме падения на БЭ-переходе и падения на светодиоде. Если светодиод должен светиться, напряжение на нем должно быть 1.5 В или больше. Значит если фотодиод открыт настолько, что падение на нем меньше чем 0.7 + 1.5, то через БЭ-переход транзистора не может течь никакой существенный ток и транзистор будет закрыт (ток и падение на светодиоде тоже, конечно стремятся при этом к нулю).

Можно воспринимать это так, что транзистор, при таком подключении, повторяет напряжение между базой и минусом (т.е. на фотодиоде). Действительно, напряжение на светодиоде (между эмиттером и минусом) будет поддерживаться всегда примерно на 0.7 В меньше чем на базе. Однако повторяя напряжение (в любом рабочем режиме) транзистор все таки будет значительно усиливать ток - в то время когда через фотодиод текут жалкие десятки микроампер, через транзистор и светодиод текут миллиамперы достаточные для свечения светодиода или включения реле.

Другой, интуитивный, нестрогий способ объяснения схемы такой: когда фотодиод не освещен и закрыт, ток идущий через базовый резистор протекает через базу транзистора и открывает его. Светодиод светится. Но если фотодиод осветить, он открывается и пропускает этот ток через себя, отбирая его у базы. Транзистор закрывается.