Добрый день, уважаемые радиолюбители.

Продолжая разговор о конструкциях для начинающих, сегодня мы поговорим о третьей конструкции – простом датчике освещённости. Итак, схема электрическая принципиальная предлагаемого датчика показана на схеме ниже.

В основе схемы лежит триггер Шмитта, выполненный на транзисторах VT1, VT2 [2, 3]. Но что из себя вообще представляет триггер Шмитта? Применительно к электронике триггером Шмитта называют электронное переключающее устройство, обладающее гистерезисом т.е. порог переключения устройства зависит от текущего состояния.

Суть в том, что классический триггер Шмитта имеет один вход и один выход. А выход может находиться в одном из двух устойчивых состояний и переключаться между ними (состояние логического «0» и логической «1»). Допустим в исходном состоянии выход триггера находится в состоянии логического «0». При достижении порогового напряжения U1 при увеличении входного напряжения происходит переключение триггера из состояния логического «0» в состояние логической «1». Но когда мы будем уменьшать входное напряжение, то переключение произойдёт уже при более низком напряжении U0, нежели в предыдущем случае – это и есть гистерезис т.е. пороги переключения зависят от того, в каком из состояний до этого находится триггер. Данный процесс схематически показан на схеме ниже.

Но вернёмся к электрической схеме датчика освещённости и рассмотрим упрощённо принцип его работы. Как уже выше упоминалось в основе схемы лежит триггер Шмитта, выполненный на транзисторах VT1, VT2. Источником входного напряжения триггера служит делитель, состоящий из фоторезистора R1 и переменного резистора R2. Резистор R2 служит для установки порога срабатывания устройства в зависимости от уровня освещённости.

В начальный момент времени, когда уровень освещённости выше установленного порога, напряжения на базе транзистора VT1 достаточно для его открытия (для создания необходимого тока базы). В коллекторной цепи транзистора VT1 протекает ток, а на резисторе R3, согласно закону Ома, падает напряжение. Напряжение на коллекторе транзистора VT1 равно сумме падения напряжения на эмиттерном резисторе R4 и напряжения насыщения транзистора VT1 (либо разности напряжения питания и падения напряжения на резисторе R3, что тоже самое). Фактически резистор R3, а также транзистор VT1 и резистор R4 образуют управляемый делитель напряжения.

 К выходу данного делителя подключён второй делитель, задающий напряжение на базе транзистора VT2 и состоящий из резисторов R5, R6. Номиналы данных резисторов выбраны так, чтобы транзистор VT2 был в данном состоянии триггера закрыт (напряжения недостаточно для создания необходимого тока базы). Таким образом в коллекторной цепи ток не протекает т.е. на резисторах R7, R8 нет падения напряжения.

Соответственно и транзистор VT3 закрыт т.к. напряжения на его базе недостаточно для создания необходимого тока базы и открытия. В коллекторной цепи транзистора VT3 ток отсутствуют, светодиоды HL1-HL4 погашены.

По мере падения уровня освещённости сопротивление фоторезистора R1 увеличивается. Вместе с тем увеличивается падение напряжения на нём, а значит уменьшается напряжение на входе триггера Шмитта (на базе транзистора VT1). При уменьшении напряжения ниже порога срабатывания транзистор VT1 закрывается (напряжения недостаточно для задания необходимого тока базы).  Как итог уменьшается падение напряжения на резисторе R3, и увеличивается на VT1, а значит увеличивается напряжение на коллекторе транзистора VT1. Это приводит к тому, что возрастает напряжение на базе транзистора VT2, задаваемое делителем R5, R6. Транзистор VT2 открывается – в коллекторной цепи начинает протекать ток. По закону Ома на резисторе R7 падает напряжение. Данного напряжения достаточно для создания необходимого тока базы транзистора VT3 и его открытия. В коллекторной цепи начинает протекать ток – светодиоды HL1-HL4 загораются.

Резисторы R10, R11 – токоограничивающие. Они необходимы для задания максимального тока через светодиоды.

Конденсаторы С1, С3 – дополнительный фильтр питания датчика освещённости.

Конденсатор С2 – дополнительный фильтр питания входного напряжения триггера.

Конденсатор С4 – ускоряющий. Когда триггер находится в стабильном состоянии разность потенциалов на обкладках конденсатора постоянна, и он не оказывает влияния на работоспособность схемы. В момент переключения разность потенциалов на обкладках конденсатора быстро изменяется. В самый начальный момент такого изменения сопротивление конденсатора достаточно низко, что приводит к резкому увеличению напряжения на базе транзистора VT2 (а значит и тока базы транзистора VT2) – переключение транзистора ускоряется.

Для правильной работы схемы необходимо, что бы сопротивление в коллекторной цепи транзистора VT1 было выше, чем сопротивление в коллекторной цепи транзистора VT2. При этом условии пороговый уровень включения транзистора VT1 уменьшается при включении т.к. уменьшается падение напряжения на эмиттерном резисторе R4. Связано это с тем, что ток эмиттера транзистора VT1 в открытом состоянии ниже, чем ток эмиттера транзистора VT2 в открытом состоянии (ток эмиттера равен сумме тока коллектора и тока базы транзистора). Так возникает гистерезис.

В подборке фото ниже представлен описываемый датчик освещенности при проведении испытаний.

В подборке фото далее представлен внешний вид изготовленной печатной платы.

В подборке рисунков ниже представлен сборочный чертёж печатного узла описываемого датчика (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на втором рисунке указано только расположение компонентов схемы). Тут следует отметить, что компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка. При этом сборочный чертеж выполнен так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке транзисторов, а также полярных конденсаторов.

В файле d-osv-1.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6 и схема  электрическая принципиальная в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления устройства.  

На видео ниже [1] представлено испытание описанного датчика. По видео хорошо видно, что работа датчика полностью соответствует описанию.

В заключении данной статьи хотелось бы дополнительно упомянуть: в качестве одной из модернизаций данного датчика может быть замена светодиодов HL1-HL4 на реле с подходящим напряжением обмотки. В этом случае возможна коммутация нагрузки с различными параметрами.

Все используемые в конструкции компоненты указаны на схеме. В качестве транзисторов необходимо использовать транзисторы с коэффициентом усиления по току не менее 100.

А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.

Список использованной литературы:

1. Простой датчик освещённости
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993
3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.