ФОТОРЕЛЕ

Ток светочувствительного элемента, изменяющийся под действием падающего на него света, мал. Но если этот ток усилить, а на выход усилителя включить электромагнитное реле, то получится фотореле - устройство, позволяющее при изменении силы света, падающего на его светочувствительный элемент, управлять различными другими приборами или механизмами.

Структурная схема такого автоматически действующего устройства и графики токов, иллюстрирующие его работу, изображены на рис. 254. Допустим, что фоторезистор R (на его месте может быть любой другой фотоэлемент) затемнен, например закрыт рукой. В это время (на графиках - участки ) ток цепи фотоэлемента и ток усилителя малы, а ток в исполнительной цепи вообще отсутствует, так как контакты реле разомкнуты. Если теперь открыть фотоэлемент или направить на него пучок света, токи фотоэлемента и усилителя резко увеличатся (на графиках - участки ), сработает электромагнитное реле и своими контактами включит цепь питания механизма исполнения. Но стоит снова затемнить фотоэлемент, как тут же разомкнется (или переключится) цепь исполнения.

Рис. 254. Структурная схема фотореле, в котором функцию светочувствительного элемента выполняет фоторезистор

Главное в работе реле - 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 . Отбери транзистор с коэффициентом не менее 50 и с возможно меньшим током . 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 , 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 , чтобы при затемненном фототранзисторе через обмотку реле протекал ток . Резистор в этом автомате выполняет роль ограничителя тока базовой цепи транзистора V1, R4 - в коллекторной. Электромагнитное реле 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. 255,6. Оно отличается от первого варианта фотореле в основном лишь тем, что в нем светочувствительным датчиком служит фоторезистор . Включен он в цепь базы транзистора V1 последовательно с резистором , 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 и заставляет его срабатывать контакты К1.1 включают цепь управления.

Для такого варианта фотореле можно использовать фоторезисторы типов . Электромагнитное реле должно быть рассчитано на ток срабатывания (сопротивление обмотки 200-400 Ом).

Рис. 255. Варианты фотореле

В третьем варианте фотореле, схема которого изображена на рис. 255, в, роль датчика выполняет фотодиод V1 типа или . Электромагнитное реле такое же, как в первых вариантах фотореле. Здесь фотоэлемент и резистор 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 . Транзистор V2 при этом открыт, а транзистор V4 закрыт. Контакты К1.1 реле 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 сработает и его контакты , замыкаясь, включат исполнительную цепь. При затемнении фотодиода его обратное сопротивление вновь увеличится, транзистор V2 откроется, транзистор V4 закроется, а реле , 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 p-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.

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 металлической 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.

Рис. 256. Конструкция фотореле и осветителя.

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.