Аналоговые датчики

фоторезистор, фототранзистор и термисторНекоторые электронные схемы взаимодействуют с внешним миром через различные типы датчиков (сенсоров). Без них невозможно было бы измерить температуру, силу света или другие значения.

В наших практических упражнениях мы будем использовать простые аналоговые датчики. Компаратор также будем использовать.

В рамках этой статьи мы обсудим три различных датчика: фоторезистор, фототранзистор и термистор. Первые два служат для измерения силы света (отличаются принципом действия), а третий датчик будет измерять температуру. Элементы этого типа чрезвычайно полезны и могут быть применены во многих проектах, в том числе основанных, например, на Arduino или других, более сложных платформах.

Аналоговые и цифровые датчики

Если немного упростить, то можно сказать, что существует два типа датчиков (любого типа): аналоговые и цифровые. Таким образом, мы можем применить аналоговый или цифровой датчик температуры. Оба элемента смогут измерять температуру, но сама их работа будет сильно отличаться.

Аналоговые датчики преобразуют измеряемую величину (например, температуру) в электрическую величину, пропорциональную измеренному значению. Например, по мере увеличения температуры, на выходе датчика, напряжение будет расти и сопротивление будет увеличиваться.

В свою очередь, цифровые датчики отправляют информацию в виде последовательности битов (нулей и единиц). Чтобы прочитать его, вам потребуются цифровые схемы, чаще всего микроконтроллеры, поэтому мы не можем рассматривать их в этом курсе. Вы столкнетесь с этими типами датчиков, когда мы начнем изучать Arduino.

Аналоговый датчик и цифровой датчик
Аналоговый датчик и цифровой датчик — различные методы чтения данных

Цифровые датчики становятся все популярнее, потому что они могут выполнять более сложные измерения, а считывание и правильная интерпретация результатов, таких датчиков, может быть очень простой задачей.

Почему рассматриваем аналоговые датчики?

Самая главная причина — низкая цена, которая в случае аналоговых датчиков колеблется в районе 50 рублей. Если мы построим схему с большим количеством датчиков (например, световых), для нас будет важна стоимость этих датчиков. Вторая причина — небольшие размеры. Готовый модуль с цифровым датчиком обычно стоит намного дороже аналогового датчика.

Кстати, сами цифровые датчики иногда могут быть настолько маленькими, что использовать их в домашних условиях будет очень сложно или даже невозможно.

Третья причина — это широкий диапазон напряжений, которые мы можем подавать в такую ​​схему. Для аналоговых датчиков достаточно 1 В (в случае фоторезистора и термистора напряжение может быть еще ниже). Верхний предел питающего напряжения обычно составляет несколько десятков вольт. Так что, разброс огромный!

Цифровые датчики должны питаться напряжением, строго указанным производителем (например, 5 В). Это вызывает некоторые проблемы, особенно, если мы видим, что датчик не работает при напряжении, совместимом с остальными схемами. В этом случае, необходимо использовать так называемый преобразователь логических уровней.

Приведенные выше аргументы не следует воспринимать как «атаку» на цифровые датчики. Просто при использовании какого-либо компонента, делайте выбор осознанно.

Общим недостатком аналоговых датчиков является необходимость калибровки всей схемы. Поэтому любительские применения таких датчиков следует ограничить ролью детекторов. В идеале, их следует использовать только для проверки того, достиг ли данный параметр соответствующего значения или нет.

Как подключить аналоговый датчик?

Фоторезистор и термистор характеризуются изменением своего сопротивления в ответ на внешний раздражитель (свет или температуру соответственно). А вот в фототранзисторе изменяется протекающий через него ток. Оба эти значения можно легко измерить с помощью мультиметра. Однако никто не будет стоять и вручную измерять сопротивление термистора, чтобы увидеть, изменилась ли температура окружающей среды.

ФоторезисторТермистор
Пример фоторезистораТермистор — аналоговый датчик температуры

Для удобной и «автоматической» обработки информации от датчиков, было бы полезно, если бы изменение их показаний приводило к изменению напряжения (а не сопротивления), потому что электронные схемы могут обрабатывать это самостоятельно. Так как же использовать, например, изменение сопротивления резистора и термистора? Здесь пригодится очень простая схема — делитель напряжения, который мы обсуждали в предыдущих статьях по электронике, особенно в статье, посвященной закону Ома и Кирхгофа.

В простейшем варианте конфигурация датчика выглядит как на схеме ниже. Если датчик подключен таким образом, изменение его сопротивления повлияет на значение, считываемое мультиметром. Принцип этой схемы очень прост: по мере увеличения сопротивления датчика, напряжение, приложенное к нему, увеличивается, а также увеличивается и выходное напряжение. Если же сопротивление уменьшается, напряжение на выходе также уменьшается.

То же самое будет применимо и для изменений протекающего тока: чем больше ток, тем ниже выходное напряжение.
Схема подключения аналогового датчика
Пример схемы подключения аналогового датчика

На схеме в качестве примера показан мультиметр для измерения напряжения. Очень часто такую ​​схему подключают, например, через аналоговый вход в Arduino. Однако мы имеем дело с основами электроники, поэтому нам приходится измерять напряжение другим методом. Здесь отлично подойдет компаратор напряжения, описанный в предыдущей статье.

Резистор для аналогового датчика

Резистор следует подбирать под конкретный датчик. Резистор ограничивает ток, протекающий через датчик, что особенно важно в случае термисторов — протекание тока приводит к повышению температуры внутренней структуры датчика. Такой внутренний нагрев искажает показания датчика. Поэтому желательно, чтобы номинал этого резистора был как можно большим.

С другой стороны, чем больше сопротивление, тем меньше становится диапазон обработки, потому что изменения сопротивления датчика относительно этого резистора настолько малы, что они не будут распознаваться схемой.

Как и во многих других случаях, нужен инженерный компромисс.

Кроме того, резисторная схема имеет еще один недостаток. Помните формулу выходного напряжения делителя напряжения? Где в нем находится резистор R1, символизирующий наш датчик? К сожалению, он есть и в числителе, и в знаменателе. Это означает, что выходное напряжение не будет линейно зависеть от сопротивления — чего нам хотелось бы больше всего.

Термистор — аналоговый датчик температуры

Термисторы преобразуют температуру в сопротивление (между выводами). Это связано с соответствующим материалом, из которого они сделаны. Этот элемент может выглядеть как маленький черный конденсатор на длинных ножках, но это только внешний вид!

Образец термистораОбозначение термистора
Образец термистораОбозначение термистора

Термистор, как и обычный резистор, не имеет полярности. Ток может течь через него в любом направлении. Основные параметры термистора, которые следует учитывать в первую очередь, — это номинальное сопротивление (при определенной температуре, обычно 25 ° C) и его тип / вид .

Тип термистора определяет направление изменения сопротивления:

  • PTC ( положительный температурный коэффициент ) — температура и сопротивление ведут себя одинаково, т.е. при повышении температуры увеличивается и сопротивление.
  • NTC ( отрицательный температурный коэффициент ) — сопротивление и температура имеют противоположные направления увеличения, т.е. повышение температуры означает уменьшение сопротивления.
Термисторы для измерительных целей обычно относятся к типу NTC.

Термистор, который мы рассматриваем, представляет собой датчик NTC с номинальным сопротивлением 47 кОм. Таким образом, при температуре выше 25 ° C его сопротивление будет пропорционально ниже 47 кОм, а при охлаждении — выше 47 кОм.

Использование термистора на практике

Конечно, работу такого датчика можно проверить с помощью мультиметра. Для этого достаточно измерить сопротивление между его выводами. Если хотите, проделайте такой эксперимент самостоятельно — прикоснитесь щупами мультиметра к ножкам термистора и измерьте его сопротивление. Затем согрейте кончик термистора в руках и снова измерьте его.

Однако мы сделаем еще один шаг и рассмотрим более сложную схему. Используя ранее полученные знания, мы соберем датчик, который будет сигнализировать о превышении заданной температуры.

Для выполнения этого упражнения вам потребуются:

  • 1 × компаратор LM311,
  • 1 × термистор,
  • Конденсатор 1 × 100 нФ,
  • 1 × 220 мкФ конденсатор,
  • Резистор 1 × 330 Ом,
  • Резистор 2 × 1 кОм,
  • Резистор 1 × 56 кОм,
  • 1 × резистор 1 МОм,
  • Потенциометр 1 × 5 кОм,
  • 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
  • Батарея 4 × AA,
  • 1 × корзина для 4 батареек АА,
  • 1 × макетная плата,
  • комплект соединительных проводов.

Нам нужно соединить все эти элементы согласно схеме ниже, которая должна быть вам знакомой. Это практически та же схема, которую мы собрали в одной из предыдущих статей, посвященной аналоговым компараторам. Основное отличие — внешний вид термистора.

Схема простого термостата
Схема простого термостата, состоящего из компаратора и термистора

Конечно, такая схема сравнивает два напряжения (как компаратор), но самое главное — какие напряжения будут сравниваться. К инвертирующему входу подключаем потенциометр, благодаря которому мы легко сможем регулировать напряжение, достигающее этого входа. В свою очередь, к неинвертирующему входу подключаем делитель напряжения из термистора и резистора R3.

В результате изменение температуры, которое переводится в изменение сопротивления аналогового датчика, вызовет подачу другого напряжения на неинвертирующий вход.

Здесь вступает в игру компаратор, который сравнивает два напряжения, благодаря этому, диод, который находится на выходе компаратора, будет светиться при повышении температуры окружающей среды. Изменяя настройку потенциометра P1, мы сможем регулировать «температуру», превышение которой приведет к переключению светодиода. Порог переключения выставим с помощью потенциометра.

Частично собранная схемаГотовый вариант схемы с термистором
Частично собранная схемаГотовый вариант схемы с термистором

В свою очередь, на практике все это может выглядеть так, как на фото ниже. Стоит немного согнуть термистор, чтобы он слегка выступал за контур макетной платы.

Готовый термостат
Готовый термостат на базе компаратора и термистора

Как проверить схему?

После сборки схемы включите питание и установите ручку потенциометра так, чтобы диод загорелся. Затем осторожно поверните потенциометр так, чтобы светодиод погас. Таким образом, мы устанавливаем так называемый порог переключения. Теперь мы можем нагреть термистор (например, сжимая его пальцами). Когда его корпус нагреется, светодиод загорится, а после остывания погаснет.

Термистор остылТермистор нагревается
Термистор остыл — светодиод не горитТермистор нагревается — светодиод горит

При температуре около 25 ° C на неинвертирующем входе компаратора появится напряжение близкое к 2,7 В (при условии питания 6 В). Это напряжение падает при нагревании термистора, а при превышении порога переключения компаратор переключает свое выходное состояние с высокого на низкое.

Без резистора R5, схема будет вести себя хаотично около порога переключения.

Фоторезисторы — аналоговые датчики света

Фоторезисторы — это аналоговые датчики света, сопротивление которых изменяется с изменением интенсивности видимого света. На световую подложку наносится светочувствительный слой, который снижает его сопротивление под воздействием падающего света. Для соединения этого слоя с выводами, используются серые металлические покрытия, и все это герметично покрыто лаком. Как и в случае с термистором (и обычным резистором), ток может течь через этот элемент в обоих направлениях.

ФоторезисторОбозначение фоторезистора
Пример фоторезистораОбозначение фоторезистора на схеме

В случае фоторезисторов, основными параметрами являются два сопротивления: в темное время суток и светлое. Каждый из них определяется соответствующей освещенностью в люксах — в домашних условиях эта информация не очень практична. Для нас наиболее важны сами значения этих сопротивлений, потому что они говорят о диапазоне изменчивости. Например, в случае фоторезистора GL5616, в светлое время суток сопротивление составляет 5-10 кОм, а в темное около 800 кОм.

Каждый фоторезистор снижает свое сопротивление при освещении.

Проверить этот датчик очень просто. Нам нужно внести две незначительные модификации в предыдущую схему (даже разбирать ее не стоит). Достаточно:

  • заменить резистор R3 на резистор сопротивлением 10 кОм,
  • заменить термистор на фоторезистор.

Вот как выглядит схема данного варианта на макетной плате:

Схема светоприемника
Схема светоприемника на основе компаратора напряжения и фоторезистора

Готовый макет может выглядеть так:

Схема на платеСхема с фоторезистором
Схема на макетной платеСхема с фоторезистором

В рамках теста мы освещаем фоторезистор (например, лампой в комнате) и включаем питание. Затем, с помощью потенциометра, выставляем порог переключения: сначала ползунок поворачиваем, чтобы светодиод погас, а потом аккуратно поворачиваем, чтобы он загорелся. После закрытия фоторезистора диод должен погаснуть. Однако в этом случае (с фоторезистором) работу этой схемы можно легко изменить. Просто поменяйте местами 2 элемента, а какие, подумайте сами.

Фоторезистор открыт для светаФоторезистор накрыт
Фоторезистор открыт для света — горит светодиодФоторезистор накрыт — диод не горит

Как и в предыдущей схеме, здесь также необходим небольшой гистерезис (резистор R5). Без него шум, создаваемый в соединениях, в сочетании с усилением компаратора, заставил бы схему вести себя хаотично.

Фототранзисторы — другие датчики света?

Фототранзистор — это известный нам биполярный транзистор, у которого буквально есть открытая база. Он устроен таким образом, что падающие фотоны генерируют носители электричества — как будто они исходят от внешнего источника. В результате, когда подается соответствующее напряжение на коллектор-эмиттер, ток начинает течь между эмиттером и коллектором фототранзистора. Этот элемент производители закрывают в корпус с линзой, который по внешнему виду напоминает светодиод.

ФототранзисторОбозначение фототранзистора
Пример фототранзистораОбозначение фототранзистора на схеме

Рассматриваемый нами фототранзистор выглядит как светодиод с прозрачным корпусом. Однако, некоторые фототранзисторы имеют дополнительно выведенную базу. Вы можете оставить его отключенным или управлять им электрически и оптически (независимо друг от друга).

Фототранзисторы, как и фоторезисторы, определяются в условиях освещения и затемнения. Темновой коллекторный ток фототранзистора, составляет около 100 нА (при напряжении коллектор-эмиттер 10 В). С другой стороны, световой ток коллектора находится в диапазоне 0,7–3 мА (при 5 В).

Как и в случае обычных биполярных транзисторов, здесь мы имеем дело с коэффициентом усиления по току (β) . Носители, сгенерированные в базе, вызывают в β раз больший ток коллектора.

Описание работы фототранзистора
Символическое описание работы фототранзистора

Проще говоря, такой фототранзистор можно рассматривать даже как фоторезистор со встроенным усилителем. Фоторезистор вряд ли зарегистрирует изменение, а фототранзистор дополнительно его усилит, что позволит наблюдать больший отклик на выходе датчика.

Коллектор фототранзистора выведен на более короткий вывод (ножку), а эмиттер, на более длинный. Этот элемент не имеет внешней связи с основанием. Важно отметить, что элемент оптимизирован для приема в инфракрасном (ИК) диапазоне, но он также реагирует на видимый свет, но с меньшей чувствительностью. Проверка его работы ограничивается заменой фоторезистора в предыдущей тестовой схеме.

Схема автоматической лампы
Схема автоматической лампы на фототранзисторе

Вот так выглядит схема на макетной плате:

Схема на макетной платеДатчик с фототранзистором
Схема на макетной платеДатчик с фототранзистором на практике

Потенциометр необходимо установить на предел переключения. Затеняя и освещая фототранзистор, мы наблюдаем реакцию диода. Схема с фототранзистором лучше всего работает при солнечном свете. Если возникнут проблемы с его настройкой, можно также поэкспериментировать с резистором R3.

Фототранзистор горитФототранзистор закрыт
Фототранзистор горит — светодиод горитФототранзистор закрыт — диод не горит

В этой схеме фототранзистор был включен так же, как и предыдущие датчики, несмотря на разницу в работе — вместо сопротивления изменяется ток, протекающий через него. Однако схема будет работать так же: чем больше тока течет через коллектор транзистора, тем больше падение напряжения на R3. Это означает более низкий потенциал для неинвертирующего входа.

Вывод

В рамках этой статьи, мы проверили, как на практике можно использовать простые аналоговые датчики. Что немаловажно, нам также удалось найти разумное применение аналоговому компаратору — как видите, это очень полезная схема. И да, сообщите нам в комментариях, удалось ли вам выполнить все упражнения — фотографии собранных схем приветствуются!

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий