Сучасна елементна база електроніки дозволяє створювати пристрої прості по схемотехніці, але мають досить широкий набір функцій. Раніше такі прилади були доступні лише для використання в складних і дорогих професійних системах, а тепер їх застосування робить наше повсякденне життя комфортнішим і легкою.
У цій статті буде розказано про прилади, що використовують датчики, що реагують на інфрачервоне випромінювання. Колись такі датчики застосовувалися в основному в охоронних системах, а тепер уже нікого не дивують двері, що відкриваються перед кожним входять людиною або автоматичне включення освітлення в під'їзді. І все це інфрачервоні датчики ! Часто їх називають піроелектричними датчиками.
Піроелектричний датчик. Пристрій і принцип роботи
Піроелектричні датчики за принципом роботи є пасивними. Це означає, що вони не генерують ніяких електромагнітних сигналів, а просто є приймачем інфрачервоних променів, тому для людини абсолютно нешкідливі.
Кожен предмет є джерелом інфрачервоного випромінювання , І людське тіло в цьому сенсі теж не виняток. Піроелектричні датчики влаштовані таким чином, що реагують не на саме інфрачервоне випромінювання, його абсолютну величину, а саме на його зміну. Тому, навіть незначне переміщення об'єкта, наприклад, людини буде зафіксовано таким датчиком.
Як приклад розглянемо піроелектричний датчик IRA-E710 фірми Murata. Його пристрій показано на малюнку 1.
Малюнок 1. Пристрій піроелектричного датчика IRA-E710
Основою піроелектричного датчика є фотоелемент, чутливий до інфрачервоного випромінювання, який виробляє електричний сигнал пропорційний величині випромінювання. Для узгодження фотоелемента зі схемою і початкового посилення сигналу використовується польовий транзистор.
Якщо датчик побудувати всього на одному фотоелементі, то він буде спрацьовувати не тільки від рухомих предметів, а також просто від зовнішньої температури, сонячних променів, від радіаторів опалення та зміни температури самого датчика, точніше його корпусу.
Іншими словами перешкодозахищеність такого датчика занадто низька. Щоб її підвищити піроелектричні датчики виготовляються на базі двох фотоелементів, включених зустрічно, як показано на малюнку, що дозволяє компенсувати щойно згадані чинники.
Такий датчик реагує тільки на зміну величини випромінювання, що дозволяє використовувати його в якості детектора руху. Ще більшу надійність у роботі датчика забезпечує світлофільтр, налаштований на довжину хвилі 5-14 мкм. Таке випромінювання найбільш характерно для людського тіла.
Однак, не слід думати, що датчик уловлює тільки переміщення розігрітих предметів. У приміщенні завжди є певний інфрачервоний фон, тому переміщення будь-якого предмета, навіть з температурою навколишнього середовища, викликає зміна загального фону і спрацьовування датчика.
До недоліків описуваного датчика можна віднести те, що він чутливий лише до переміщень поперек, тобто з одного фотоелемента на інший. При переміщеннях уздовж поверхонь обох фотоелементів сигнал вироблятися не буде. Тому при установці таких датчиків їх слід орієнтувати відповідним чином, про що буде сказано вище.
Щоб позбутися від такого шкідливого ефекту для особливо відповідальних випадків розробляються і застосовуються датчики на основі чотирьох фотоелементів. Правда, датчики такого типу складніше і дорожче, що також ускладнює і схему їх підключення і управління.
Датчики випускаються для звичайного і поверхневого (SMD) монтажу. Їх зовнішній вигляд показаний на малюнку 2.
Малюнок 2. Датчики IRA-E710. Зовнішній вигляд
Застосування датчиків руху
Від самого початку датчики руху призначалися для створення систем охоронних сигналізацій . З розвитком елементної бази піроелектричні датчики стали набагато дешевше і доступніше, що дозволило застосувати їх в побутових цілях.
Це перш за все автоматичне включення освітлення, відкривання дверей, а також управління системами відеоспостереження. Така автоматика дозволяє економити значну кількість електроенергії, або тепла в приміщенні. При використанні в системах відеоспостереження економиться простір на жорстких дисках комп'ютера керує роботою відеосистеми.
Алгоритм роботи системи автоматичного включення світла
При автоматичному включенні світла, наприклад в під'їзді, при появі людини в полі зору приладу освітлення повинно включитися, і після закінчення деякого часу вимкнутися. Поки людина перебуває в полі зору приладу, освітлення вимикатися не повинно, витримка збільшується. У світлий час доби автоматичного включення світла відбуватися не повинно.
У точності також працюють прожектори з датчиком руху, призначені для установки на вулиці: освітлення воріт і двору біля будинку, сходи біля входу в магазин і в інших випадках. Такі прожектори випускаються спільно з датчиком руху, або датчик руху може бути окремим.
Одна з схем автоматичного управління освітленням показана на малюнку 3.
Малюнок 3. Схема управління освітленням від датчика руху (натисніть на малюнок для перегляду схеми в більшому форматі)
Опис роботи схеми
Як приймач інфрачервоного випромінювання в схемі застосований піроелектричний датчик PIR1. Перед його фотоелементами встановлюється модуляційна решітка з вузьких непрозорих і прозорих смуг, яка розташована горизонтально. Тому виходить, що для фотоприймача об'єкт, що переміщається поперек смуг модуляционной решітки, то відкритий, то закритий, що викликає появу змінної напруги на виході датчика.
Сказане ілюструє малюнок 4, на якому показано правильне розташування датчика. Розмір об'єкта, що виявляється приладом, визначається шириною смуг модуляционной решітки. Зміною ширини смуг можна налаштовувати чутливість приладу в цілому. Ширина зони дії приладу може налаштовуватися зміною розміру вікна модуляционной решітки.
Малюнок 4. Схема установки датчика руху
Харчування внутрішнього підсилювача датчика PIR1 подано на його висновок 1 через фільтр R1C1. Вихідний сигнал датчика знімається з виведення 2 і надходить на неінвертуючий вхід операційного підсилювача 1 мікросхеми DA1 типу LM324. Дана мікросхема є чотири операційних підсилювача (ОУ) незалежних друг від друга. Єдине, що їх об'єднує, це загальні висновки харчування і корпус.
На ОУ1 зібраний підсилювач з коефіцієнтом посилення близько 150, до якого безпосередньо підключений датчик PIR1. Якщо в зоні дії датчика не відбувається руху, то на виході ОУ1 постійний рівень напруги, близько половини напруги джерела живлення.
При виявленні в полі зору датчика, що рухається, на виводі 2 з'являється змінна напруга, яке посилюється ОУ1. На виході ОУ1 з'являється змінна складова, яка через конденсатор С2 подається на наступний каскад посилення, виконаний на ОУ2 з коефіцієнтом посилення приблизно 100.
Після цих каскадів посилений до необхідного рівня сигнал надходить на вхід компаратора на ОУ3 - висновок 10 мікросхеми DA1. Рівень спрацьовування компаратора визначається величиною резисторів R8, R11, R20. У початковому стані на виході компаратора напруга низького рівня.
Якщо на виході ОУ2 - висновок 14 - з'являться прямокутні імпульси, що перевищують заданий рівень спрацьовування, на виході компаратора ОУ3 - висновок 8 - з'явиться високий рівень напруги, точніше теж імпульси, які зарядять конденсатор С7. Діод VD5 перешкоджає розряду цього конденсатора через вихід компаратора, коли на ньому низький рівень. Тому конденсатор може розрядитися лише через послідовний ланцюг R14 і R22. За допомогою змінного резистора R22 час розряду можна встановити в межах 5 сек ... 5хв.
Напруга, накопичене на конденсаторі С7 надходить на неінвертуючий вхід другого компаратора, виконаного на ОУ4, рівень спрацьовування якого задається подільником R9, R13. Вихідний сигнал цього компаратора надходить на базу транзистора VT1, який за допомогою симистора VD2 підключає навантаження.
Час спрацювання компаратора на ОУ4 визначається часом заряду конденсатора С7, яке збільшується на час спрацьовування датчика: поки не припинився рух в поле зору приладу конденсатор С7 буде підзаряджатися. Таким чином, поки в приміщенні хтось рухається, освітлення гарантовано не відключиться.
Для того, щоб освітлення не включалося в світлий час доби, прилад містить датчик освітленості, виконаний на фотодіоді VD7 типу ФД263, який включений в зворотному напрямку. Режими його роботи задаються дільником R15, R23.
Напруга з движка змінного резистора R23 подається на базу транзистора VT2. Поки в приміщенні темно фотодиод закритий і напруга на базі транзистора VT2 високе, тому він закритий і на роботу схеми впливу не робить.
При збільшенні освітленості фотодіод відкривається, і напруга на базі VT2 падає, що призводить до його відкриття. Відкритий транзистор через діод VD9 шунтирует проходження сигналу з виходу ОУ2 на вхід компаратора на ОУ3. Тому заряду конденсатора С7 не відбувається і освітлення також включено не буде.
Для того, щоб при включенні освітлення датчик денного освітлення не вирішив, що настав день, його робота блокується через діод VD8, підключений до виходу компаратора на ОУ4. Конденсатор С10 забезпечує затримку включення датчика зовнішнього освітлення при включенні лампи, тим самим запобігаючи помилкові спрацьовування датчика.
Живлення приладу бестрансформаторних. Через гасить конденсатор С9 напруга мережі надходить на випрямляч, виконаний на діодах VD4 і VD6. Пульсації випрямленої напруги згладжуються конденсатором С8, і напруга стабілізується на рівні 16В стабілітроном VD3. Ця напруга використовується для живлення ключового каскаду на транзисторі VT1, який керує роботою силового ключа на сімісторов VD2.
На елементах R2, C3, і VD1 зібраний параметричний стабілізатор напруги 9,1В, яке використовується для живлення всіх вузлів приладу: PIR-датчика, мікросхеми DA1, і фотодатчика денного освітлення на транзисторі VT2.
Описана схема випускається у вигляді набору фірмою Майстер Кіт. Набір містить усі необхідні радіодеталі, готову друковану плату і корпус для складання пристрою, показаний на малюнку 5. Також до складу набору входить інструкція по збірці і налагодженню пристрою.
Хоча в цілому схема вважається нескладною, і при безпомилкової збірці з справних деталей повинна почати працювати відразу, хочеться звернути увагу на те, що вона має бестрансформаторних харчування. Тому при складанні та налагодження слід бути гранично уважним, дотримуватись правил техніки безпеки, а ще краще скористатися розділовим трансформатором.
Малюнок 5. Корпус з набору Майстер Кіт
Повністю на робочий режим схема виходить через півтори - дві хвилини після включення, тому всі настройки слід проводити після закінчення цього часу. Налаштування нескладні і зводяться до установки необхідного часу затримки резистором R22, а за допомогою резистора R23 вибирається поріг спрацьовування датчика освітленості.
Поріг спрацьовування самого датчика руху визначається номіналом резистора R11. Якщо необхідно збільшення чутливості, його величину можна дещо зменшити. Відповідно, при великій кількості помилкових спрацьовувань, доведеться змінити значення в бік збільшення.
На малюнку 6 показана ще одна схема інфрачервоного датчика руху, яка дуже схожа на схему, наведену на малюнку 3.
Малюнок 6. Інфрачервоний датчик руху. Варіант 2 (для збільшення зображення натисніть на малюнок)
Подібною схемою комплектується прожектор з галогенною лампою у вигляді єдиного пристрою, і встановлюється, як правило, на під'їздах приватних домоволодінь. Його призначення включати світло на дворі при приході господарів будинку, а крім того попереджати господарів про проникнення на територію гостей, в тому числі і непроханих. Сама схема дуже схожа на попередню і виконує ті ж функції, тому докладного опису не потрібно. Зупинимося лише на окремих вузлах.
Як інфрачервоного датчика використовується фототранзистор PIR D203C, сигнал з якого надходить на мікросхему DA1, таку ж, як на попередній схемі. Чутливість датчика налаштовується змінним резистором VR3. Датчик освітленості виконаний на фоторезистори CDS, який через транзистор VT2 в світлий час доби блокує роботу транзистора VT1, що включає реле керування навантаженням. Тому в світлий час доби включення прожектора не відбувається.
Так само, як і попередня, схема містить витримку часу, яка виконана на конденсаторі С14, час розряду якого регулюється змінним резистором VR1. Межі регулювання часу вказані безпосередньо на схемі.
Галогенний прожектор з датчиком руху призначений для установки на вулиці, тому в зону дії датчика крім людей можуть потрапляти кішки, собаки або інші дрібні тварини. Це може викликати помилкове спрацьовування датчики і включення світла.
Щоб захиститися від подібних помилкових спрацьовувань рекомендується перед датчиком встановлювати захисний екран, який кілька обмежить зону видимості приладу знизу: цілком достатньо бачити не всю хвіртку, а лише її верхню половину, щоб розрізнити прийшов людини.
У більш складних датчиках руху це завдання вирішується за допомогою вбудованого мікроконтролера , Якому цілком під силу визначити розмір об'єкта: машина, людина або миша. Звичайно, такі датчики дорожчі.
Автоматичні вмикачі освітлення з акустичними датчиками
для управління світлом в під'їздах багатоквартирних будинків використовуються також оптико-акустичні вимикачі. Вимикачі містять мікрофон, оптичний датчик і вихідний ключовий пристрій.
Логіка роботи подібних вимикачів та ж, що і у інфрачервоних: в світлий час доби мікрофон відключений оптичним датчиком, а в темряві освітлення включиться навіть при незначних звуках в під'їзді. Витримка часу близько 1 хвилини, після чого світло гасне.
При новому виникненні звуків цикл повторюється. Чутливість мікрофона така, що він вловлює звук на відстані до 5 м, що цілком достатньо для під'їзних умов. Звичайно, такий датчик не можна використовувати на вулиці, адже світло буде включатися від будь-якого звуку, наприклад, від вантажівки, що проїхала повз автомобіля.
Конструктивно оптико-акустичні вимикачі випускаються в двох виконаннях: або у вигляді окремого блоку, що встановлюється на стіні або стелі, або вбудованими в світильники різних конструкцій. Такі вимикачі показані на малюнках 7 і 8 відповідно.
Малюнок 7. Оптико-акустичний енергозберігаючий вимикач ЕВ-05
Малюнок 8. Світильник ЕВС-01 з вбудованим оптико-акустичним вимикачем
Ціна таких вимикачів, як правило, менше, ніж вимикачів з інфрачервоним датчиком, тому їх можна рекомендувати для використання в системах ЖКГ, хоча це не виключає і установку інфрачервоних датчиків.
Читайте також: Як вибрати, налаштувати і підключити фотореле для зовнішнього або внутрішнього освітлення
