Фотореле

Ток светочувствительного элемента, изменяющийся под действием света на него, 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 автомата и графики токов, иллюстрирующие его работу, изображены на рис. 275. Допустим, что фоторезистор R (на его месте может быть любой другой фотоэлемент) затемнен, например, закрыт рукой.

Рис. 276. Три варианта схем фотореле.

В это время (на графиках — участки Оа) ток цепи фотоэлемента Iф и ток усилителя Iу малы, а ток в исполнительной цепи Iисп вообще отсутствует, так как контакты реле Р1/1 разомкнуты. Если теперь открыть фотоэлемент или напра­вить на него пучок света, токи фо­тоэлемента и усилителя резко уве­личатся (на графиках — участки аб), сработает электромагнитное реле и своими контактами включит меха­низм цепи исполнения. Стоит опять затемнить фотоэлемент, и тут же разомкнётся (или переключится) цепь исполнения.

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 фотоэлектрическими датчиками. Схема первого варианта фотореле приведена на рис. 276, а. В нем в качестве фотоэлемента используется мало — мощный низкочастотный транзис­тор Т1 (МП39— МП42). Отбери Транзистор с h21э равным 40-50 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 полиэтиленовой или лавса­новой пленкой. Получается фо­тотранзистор.

Фотореле работает следующим образом. При освещении кристалла обрат­ное сопротивление коллекторного перехода транзистора уменьшается, что ведет к резкому возрастанию тока коллектора. Этот ток усиливается транзистором Т2, и реле Р1, являющееся нагрузкой этого транзистора, срабатывает и своими контактами P1\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, R — коллекторной цепи. Электромагнитное реле Р1 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. 276,б. Оно отличается от первого варианта фотореле в основном лишь тем, что в нем датчиком служит фоторезистор R1. Включен он в цепь базы транзистора Т1, 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 Рх и заставляет его срабатывать — контакты Р1\1 включают цепь управления.

Для этого 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. 276, в, роль датчика выполняет фотодиод Д1 типа ФД-1 или ФД-2. Электромагнит­ное реле P1 такое же, как в первых вариантах фотореле. Здесь фотоэлемент и резистор R1 образуют делитель напряжения источника питания, с которого на базу транзистора Т1, подается смещение. 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 Т1 при этом открыт, а транзистор Т2 закрыт. Контакты Р1\1 реле Р1 разомкнуты. Но стоит осветить фотодиод, как тут же его обратное сопротивление и падение напряжения на нем уменьшатся, отчего транзистор Т1 почти закроется, а тран­зистор Т2, наоборот, откроется. При этом реле Р1 сработает и его контакты P1\1, замыкаясь, включат исполнительную цепь. При затемнении фотодиода его обратное сопротивление вновь увеличится, транзистор Т1 откроется, транзистор Т2 закроется, а реле Р1, отпуская, своими контактами разорвет исполнитель­ную цепь.

Какова в этих фотореле роль диодов, шунтирующих электромагнитные реле? В те моменты времени, когда транзистор Т2 переходит из открытого состояния в закрытое и ток коллекторной цепи резко уменьшается, в обмотке реле возникает электродвижущая сила самоиндукции, поддерживающая убываю­щий ток в цепи. При этом мгновенное суммарное напряжение э. д. с. само­индукции и источника питания электронного реле значительно превышает максимальное допустимое напряжение на коллекторе и р-п переходы тран­зистора могут быть пробиты. По отношению к источнику питания автоматов диод включен в обратном направлении, а по отношению к э д. с. 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 or батарей, так и от выпрямителя с выходным напряжением 9—12 В. Выпрямитель можно смонтировать в том же светонепроницаемом ящичке (рис. 277), где будет само фотореле. Прямой посторонний яркий свет не должен попадать на датчик фотореле.

Линза.

Рис. 277. Примерные конструкции фотореле и осветителя.

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 лучок 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 (рис. 277). Взаимное положение линзы и лампы в осветителе подбери опытным путем так, чтобы свет выходил из осветителя узким пучком.

Как можно использовать эти 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.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель