Фотореле

Роботу виконала: Боса Тетяна, студентка 31 групи, фізико-математичного факультету.Користувач:3421865

Загальний опис (принцип дії)

Для початку вияснимо, що таке реле та які його види.

Реле (рос. реле, англ. relay, нім. Relais n, Wächter m) — електричний комутаційний апарат, який автоматично виконує певні перемикання контрольованого ним електричного кола.(мал.1)

Малюнок 1Малогабаритне реле

Опис

Реле — пристрій, у якому за досягнення певного значення вхідної величини X, вихідна величина Y змінюється стрибкоподібно та приймає скінченне число значень. Найчастіше, це автоматичний пристрій, який реагує на зміни параметру (температури, тиску, освітленості тощо) і який, у разі досягнення параметром заданої величини, замикає або розмикає електричне коло. Реле застосовуються там, де потрібно контролювати електричне коло за допомогою сигналу з низьким енергоспоживанням з повною гальванічною розв'язкою, або де кілька схем повинні контролюватися одним сигналом. Реле широко використовувалися на телефонних станціях й перших комп'ютерах для виконання логічних операцій. Вид реле, яке може обробляти велику потужність, потрібну для безпосереднього керування електродвигунами або іншими навантаженнями, називається контактор.

Реле класифікують за такими ознаками:

• роду вхідних фізичних величин, на які вони реагують;
• функцій, які вони виконують у системах керування;
• конструкції тощо.

За видом фізичних величин розрізняють:

• електричні;
• механічні;
• теплові;
• оптичні;
• магнітні;
• акустичні та інші реле.

Слід зазначити, що реле також може реагувати не лише на значення певної величини, але і на різницю значень (диференційне реле), зміну знаку величини (поляризоване реле) або швидкість зміни вхідної величини.

Одже, що ми розуміємо під значенням фотореле

Фотореле — прилад автоматичного управління різними установками, який використовує безінерційність фотоефекту, тобто практично миттєво реагує на світловий вплив чи його зміну.(мал.2)

Малюнок 2Найпростіше фотореле на фоторезисторі

Фотореле принцип роботи

Робота фотодатчика, контролюючого рівень вуличної освітленості, лежить в основі принципу роботи будь-якого фотореле. Існує два типи таких фотодатчиків:

• вбудовані, коли датчик встановлений разом з реле безпосередньо в самому електрощитку;
• виносні, коли датчик розташований поза корпусу реле.

Корпус виносних фотореле повинен бути обов'язково міцним і мати підвищений рівень герметичності і захищеності від впливів навколишнього середовища.(мал.3)

Малюнок 3Регулятор освітленості фотореле

Цей пристрій має досить простий принцип дії і складається воно з вбудованого або виносного датчика. З огляду на інтенсивність освітлення, такий датчик передає інформацію електронній платі або блоку, які, в свою чергу, при досягненні певного порогу спрацьовування, спрацьовують і вмикають освітлення, замикаючи електричний ланцюг.

Слід зазначити, що будь-який фотореле може бути запрограмовано в індивідуальному режимі. Це означає, що, якщо, наприклад, в літню пору року фотореле встановлено в гаражі, то діапазон його спрацьовування буде відрізнятися від пристрою, встановленого на ганку будинку. Даний нюанс необхідно враховувати і, по можливості, виставляти найбільш підходящий до умов розміщення фотореле діапазон його чутливості до світла.

Одним із завдань, що виконуються за допомогою фотодатчиків, є управління освітленням. Такі схеми називаються фотореле, найчастіше це просте включення освітлення в темний час доби. З цією метою радіоаматорами було розроблено чимало схем, ось деякі з них.

Напевно, найпростіша схема показана на малюнку 4. Кількість деталей в ній, невелика, менше вже не вийде, а ефективність, читай чутливість, досить висока.

Це досягнуто тим, що транзистори VT1 ​​і VT2 включені за схемою складеного транзистора, званої також схемою Дарлінгтона. При такому включенні коефіцієнт посилення дорівнює добутку коефіцієнтів посилення складових транзисторів. Крім того, така схема забезпечує високий вхідний імпеданс, що дозволяє підключати високоомні джерела сигналу, як показаний на схемі фоторезистор PR1.

Малюнок 4 Схемо простого фотореле

Робота схеми досить проста. Опір фоторезистора PR1 зі збільшенням освітленості зменшується до кількох КОм (темнової опір кілька МОм), що призведе до відкривання транзистора VT1. Його колекторний струм відкриє транзистор VT2, який включить реле K1, яке своїм контактом включить навантаження.

Діод VD1 захищає схему від ЕРС самоіндукції, що виникає в момент вимикання реле K1. Таким чином, дуже малопотужний сигнал фоторезистора перетворюється в сигнал достатній для включення обмотки реле.

Чутливість цієї простої схеми досить висока, іноді просто надмірна. Щоб її зменшити, і регулювати в необхідних межах можна додати з схему змінний резистор R1, показаний на схемі пунктиром.

Напруга харчування зазначено в межах 5 ... 15В, - залежить від робочої напруги реле. Для напруги 6В підійдуть реле РЕС9, РЕС47, а для напруги 12В РЕС49, РЕС15. При зазначених на схемі транзисторах струм обмотки реле не повинен перевищувати 50мА.

Якщо замість транзистора VT2 поставити, наприклад, КТ815, то вихідний струм може бути більше, що дозволить застосувати більш потужні реле. А взагалі, чим вище напруга живлення, тим вище і чутливість фотореле.

Схема фотореле з фотодиодом

Схема цього фотореле показана на малюнку 5.

Малюнок 5Схема фотореле з фотодиодом

Як і попередня, вона також містить мінімальну кількість деталей, завдяки застосуванню операційного підсилювача (ОУ). В даній схемі ОУ включений за схемою компаратора (порівнює пристрою). Неважко бачити, що фотодіод LED1 включений в фотодіодному режимі, - харчування подано так, що фотодіод зміщений у зворотному напрямку.

Тому, при зниженні рівня освітленості опір світлодіода Led1 зростає, що призводить до зменшення падіння напруги на резисторі R1, а отже і на вході, що інвертує компаратора OP1.

Напруга на неінвертуючий вхід ОП встановлюється за допомогою змінного резистора R2, і є пороговим - задає поріг спрацьовування. Як тільки напруга на вході інвертується стане менше, ніж порогове, на виході компаратора з'явиться високий рівень напруги, який відкриє транзистор T1, який включить реле K1.

Реле й транзистор в цій схемі можна підібрати, керуючись рекомендаціями до схеми, показаної на малюнку 6. В якості компаратора можна використовувати ОУ типу К140УД6, К140УД7 або подібні. Джерело живлення для схеми підійде будь-який, можна навіть безтрансформаторний, без гальванічної розв'язки від мережі. В цьому випадку при налагодженні слід бути уважним, дотримуватись правил техніки безпеки. Ідеальним варіантом слід вважати використання для настройки схеми розділового трансформатора або, як його іноді називають трансформатора безпеки.

Налаштування пристрою зводиться до встановлення граничної напруги таким чином, щоб включення відбувалося вже при настанні сутінків. Щоб не чекати цього природного моменту, можна в затемненій кімнаті засвічувати фотодиод лампою розжарювання, включеної через тиристорний регулятор потужності. Ця ж методика придатна для настройки та інших схем фотореле.

Можливо, що при спрацьовуванні фотореле релюшкой буде деренчати. Позбутися від цього явища можна приєднавши паралельно котушці електролітичний конденсатор на кілька сотень микрофарад.

Фотореле на мікросхемі

Спеціалізована мікросхема КР1182ПМ1 є фазовий регулятор потужності, те ж саме, що звичайний тиристорний. Дуже важливим і цінним властивістю такого регулятора потужності є те, що він включається в схему як двухполюсник, не вимагаючи для себе додаткового дроти живлення: просто включив паралельно вимикача і все вже працює! На малюнку 6 показано, як на цій мікросхемі можна побудувати нескладне фотореле.

Малюнок 6 Схема фотореле на мікросхемі КР1182ПМ1

Керуючі висновки мікросхеми 3 і 6. Якщо між ними підключити просто звичайний однополюсний вимикач, то при його замиканні навантаження буде відключатися! Якщо його розімкнути, то навантаження підключиться. До речі, без додаткових зовнішніх тиристорів або симистора, і навіть без радіатора, мікросхема витримує навантаження до 150Вт. Це в разі, якщо при включенні навантаження немає кидків струму, як у ламп розжарювання. Лампу розжарювання в такому варіанті можна включати потужністю не більше 75Вт.

Малюнок 7 Мікросхема КР1182ПМ1

Просто вимикач до цих висновків підключати як би ні до чого, якщо тільки в комплексі з іншими деталями. Якщо не звертати уваги на фототранзистор і електролітичний конденсатор, подумки залишити тільки змінний резистор R1, то виходить просто фазовий регулятор потужності: при переміщенні його движка вгору за схемою висновки 3 і 6 замикаються накоротко, тим самим відключаючи навантаження, як згаданим вище контактом. При переміщенні движка вниз за схемою потужність в навантаженні змінюється від 0 ... 100%. Тут все зрозуміло і просто.

Якщо до цих висновків підключити електролітичний конденсатор (вважаємо, що фототранзистор в схемі поки немає), то вийде просто плавне включення навантаження. Яким чином?

Опір розрядженого конденсатора невелика, тому спочатку керуючі висновки мікросхеми 3 і 6 практично замкнені накоротко і навантаження відключена. У міру заряду опір конденсатора зростає (досить згадати перевірку конденсаторів омметром), напруга на ньому теж зростає, потужність в навантаженні плавно збільшується. Виходить пристрій плавного включення навантаження. Причому потужність в навантаження буде подана на стільки, наскільки введений движок змінного резистора R1. При відключенні пристрою від мережі конденсатор розряджається через резистор R1, готуючи пристрій до наступного включенню. Якщо конденсатор розрядитися не встигне, то плавного включення не буде.

Ось тепер і дісталися до самого головного, до фотореле. Якщо тепер до керуючих висновків 3 і 6 підключити фототранзистор, то вийде фотореле. Працює воно наступним чином. Днем при високій освітленості фототранзистор відкритий, тому опір його ділянки колектор - емітер невелика, висновки 3 і 6 замкнуті між собою, навантаження відключена.

При плавному зменшенні освітленості в вечірні години фототранзистор плавно буде відкриватися, поступово збільшуючи потужність в навантаженні, тобто в лампі. Ніяких порогових елементів в цій схемі немає, тому лампа буде запалюватися і гаснуть поступово.

Щоб фотореле не спрацювало в той момент, коли включиться своя ж лампа, фототранзистор бажано захистити від такого підсвічування. Найпростіше це зробити за допомогою пластикової трубки.

Історична довідка

Простий пристрій, який ми тепер називаємо реле, було включено у початковий 1841 року телеграфний патент Семюеля Морзе. Зазначений механізм, діяв як цифровий підсилювач, який повторював телеграфний сигнал і, таким чином, давав можливість розмножувати його, наскільки то було потрібно. Це вирішило проблему обмеженого діапазону попередніх схем телеграфії. Слово реле з'являється у контексті електромагнітних операцій з 1860 року..

Коли на поверхню провідника падають промені світла, то метал випускає електрони і сам заряджається тому позитивно. Це явище випускання електронів освітлюваної поверхнею металу носить назву фотоелектричного ефекту, або скорочено фотоефекту.

Фотоефект був відкритий в 1887 році німецьким фізиком Г. Герца і вивчений професором Московського університету Олександром Григоровичем Столєтова в 1888-1890 рр. Столетов встановив, що метал (перші досліди проводилися з цинком), заряджений негативно, швидко втрачає свій заряд, якщо на поверхню металу направити промені світла, і особливо ультрафіолетові промені. Столетов вимірював величину розрядного струму і виявив, що, по-перше, розрядний струм миттєво припинявся при виключенні світла і, по-друге, величина розрядного струму, що вимірюється, очевидно, кількістю електронів, що вириваються світлом з металу, пропорційна падаючої на поверхню металу енергії випромінювання даного спектрального складу.

Наступними дослідами було показано, що швидкість викидаються з металу електронів зростає зі зменшенням довжини хвилі випромінювання, інакше кажучи, швидкість електронів зростає при збільшенні частоти випромінювання.(мал.8)

Малюнок 8 Схема дослідів А. Г. Столєтова. А - джерело світла (дуга /, С - катод, на освітлену поверхню якого промені світла проникають через металеву сітку, що служить анодом

В кінці XIX століття і в великих містах Росії з'явилися перші телефонні станції ручного обслуговування. Однак, у зв'язку з відсутністю власного (вітчизняного) телефонного обладнання, будівництво і експлуатація телефонних станцій велися іноземними компаніями. Всі найважливіші деталі, вузли, пристрої, в тому числі і реле, створювалися і вироблялися в Стокгольмі. У Петербурзі лише виконувалася збірка і зовнішня обробка. Шведські реле встановлювалися на всіх ручних станціях різних систем. Перший завод почав випускати реле це Завод "Червона зоря". У 1922 році на заводі почалося зародження вітчизняного виробництва високої частоти. Розпочате з 1927 року виробництво машинних АТС зажадало на заводі корінних інженерно-виробничих змін. Були закуплені нові верстати, розширені конструкторські та технологічні групи технічного відділу, організовано складально-монтажне конвеєрне виробництво. В інструментальному цеху виробництво реле було виділено в самостійну ділянку, де вже поряд з реле постійного струму випускаються реле змінного струму з утяжеленним якорем і перші теплові реле на термобіметалів. У довоєнний час завод "Червона зоря" був, по суті, єдиним вітчизняним заводом, які розробляють і виробляють електромагнітні реле. Так, наприклад, під час війни в Уфі було розроблено спеціальне реле для авіаційної апаратури, а розрахунки М.І. Вітенберга по підбору оптимальної довжини сердечника дозволили у виробництві реле змінного струму відмовитися від імпортної кремнієвої стали, використовуючи звичайну вітчизняну.

Сучасні системи керування зовнішнім освітленням

Покращення вуличного освітлення є одним з перспективних напрямків розвитку сучасної світлотехніки. Це дає можливість впровадження новітніх освітлювальних технологій одночасно з сучасними видами дизайну архітектурних форм. Ефективно й економічно управляти складним господарством зовнішнього освітлення міських автомобільних магістралей та пішохідних зон, внутрішньоквартальним освітленням дворів, шкіл та лікарень, а також здійснювати художню підсвітку фасадів будинків і т.п. неможливо без використання сучасних автоматизованих систем.

Існуючі системи управління зовнішнім освітленням можна розділити на декілька класів. Місцеве управління здійснюється комутаційними та керуючими апаратами, встановленими безпосередньо в лініях, які живлять освітлювальну апаратуру. Крім цього, широко використовується автоматичне або фотоавтоматичне управління із встановленням магнітних пускачів у лініях освітлення та програмного реле, фотореле або фотоелектричного автомата, що вимикають систему, залежно від рівня природного освітлення або часу доби. Вищевказані системи управління освітленням не є високоефективними через ряд причин: з точки зору енергозбереження ручні системи комутації освітлення, як показує практика їх експлуатації, призводять до надмірного використання електроенергії, як уже зазначалося, низька ефективність управління потужністю системи освітлення призводить до підвищення коефіцієнту нерівномірності освітлення.

Таким чином актуальним є вдосконалення систем управління освітленням(АСУО). Такі системи в готовому вигляді або у вигляді розрізнених компонентів випускаються багатьма фірмами – Philips (StarSense Software), Streetlight.Vision (Streetlight Suite Software), TridonicAtco та ін.

Зовсім недавно на ринку була представлена нова цифрова система управління, що базується на стандарті DALI (Digital Addressable Lighting Interface – «цифровий адресний інтерфейс освітлення»). Використовуючи стандарт DALI, можна індивідуально регулювати світильниками з електронними пускорегулювальними апаратами. Це відкриває нові можливості для управління освітленням з робочого місця за допомогою пульта дистанційного керування або персонального комп’ютера. Управляючі сигнали в даному стандарті передаються по тих же проводах, по яких здійснюється живлення, тобто прокладка окремих управляючих дротів не потрібна. Європейські стандарти допускають прокладку дротів системи DALI в загальному кабелі або в одній трубі з силовими дротами з напругою 220–240В. Стандарт DALI забезпечує управління освітлювальними установками за заздалегідь розробленою програмою. Важливою перевагою даної системи є значне скорочення витрат електроенергії приблизно на 60-65%. Обладнання стандарту DALI на українському ринку пропонують компанії Osram і Philips.

В 2017 році фотореле широко використовується в побуті і на підприємствах, для економії електроенергії та коштів.

Технічні характеристики

Технічні характеристики фотореле

  Рівень максимального робочого навантаження фотореле залежить від того, які пристрої до нього підключені. Необхідно знати, що максимальне навантаження пристрою становить від 1000 до 2300 Вт, номінальна робоча напруга дорівнює 220 В, а межі порогу спрацьовування фотореле рівні 2-2000 лк (люксам).

Щоб придбане вами фотореле довго і успішно вам послужило, потрібно з самого початку знати, на які критерії орієнтуватися при покупці даного пристрою і його допоміжних елементів. Пристрій може пропрацювати протягом тривалого періоду часу, не створюючи жодних проблем, а може щотижня виходити з ладу.(мал. 9)

Малюнок 9 Установка фотореле.

Постараємося розібратися, чи можна в процесі установки і експлуатації уникнути проблем і як це зробити. Хотів би відзначити те що колір проводів для підключення реле у різних фірм виробників різні, тому обов'язково прочитайте інструкцію в якій зображена схема підключення фотореле.

Найпопулярнішими пристроями на сучасному ринку є фотореле класу економ від таких виробників, як ИЕК, TDM, EKF і ін. Технічні характеристики різних видів фотореле показано в таблиці.

Технічні характеристики різних видів фотореле

Фотореле ФР-601 і ФР-602 зі ступенем захисту IP44 пропонує нам компанія ИЕК. Завдяки захисту IP44 використання даних пристроїв можливо під відкритим небом, адже IP44 захищає нас від падаючих в різних напрямках бризок. Межі, в яких знаходиться поріг спрацьовування даних фотореле, можуть становити від 5 до 50 лк. Робочі температури варіюються в межах від -25 ° С до +40 ° С.( мал. 10)

Малюнок 10 Схема фотореле.

Сфера застосування

Використання фотореле

Застосування фотореле надзвичайно різноманітні. Воно вмикає і вимикає в потрібний час освітлення вулиць, сортує різні деталі за формою і розміром, вмить зупиняє верстат, якщо рука людини опиниться у небезпечній зоні перекривши хід світла. Зокрема, на шахтах використовується для контролю місцезнаходження вагонетки, в пристроях автоматизації процесу відкатки та навантаження вугілля в залізничні вагони, визначення рівня завантаження бункерів тощо.

Фотореле призначені для автоматичного включення і відключення вуличного і внутрішнього освітлення (підсвічування вітрин, світлової реклами тощо) в залежності від рівня освітленості.(мал. 11)

Малюнок 12 Фотореле

Загальні вимоги до експлуатації:

• Відносна вологість повітря до 93%, температура 25 ° С
• Наколишнє середовище не повинно бути вибухобезпечна, не містить агресивних парів і електропровідний пилу, що впливають на параметри фотореле.
• Швидкість спрацьовування
• По техніці безпеки реле відповідають ГОСТ 12.2.007.0 75 і ГОСТ 12.2.007.6 75.

Опис поширених типів Найчастіше фотореле використовуються для управління вуличним освітленням, але також вони використовуються в автоматичних системах, системах контролю, управління і захисту в якості регуляторів параметрів технологічних процесів, рахункових пристроїв, комутаторів, підсилювачів і т.д. Поширені види і типи фотореле: ФР-7, ФР-2, ФР-16, DS-GS / 1S, Z7-LMK, ФР-94-2, ФР-5-10. З цих фотореле сучасними вважаються DS-GS / 1S, а також DLS-1/50, ФР-IIУ3 (АС-7)

Розглянемо деякі з них

Фотореле типу ФР-7: Фотореле типу ФР-7 призначений для включення і виключення освітлення при зміні інтенсивності денного освітлення. Широкий діапазон настройки чутливості дозволяє використовувати фотореле для керування вуличним і внутрішнім освітленням, для включення освітлення вітрин, світлової реклами, індивідуальних робочих місць і т. П., А також для застосування в якості комплектуючого виробу в пристроях промислової автоматики. Фоторезистор R1, R2 і R3 утворюють дільник напруги, який визначає струм бази транзистора VT1. У денний час, коли фоторезистор освітлений, його опір порівняно велике, тому транзистор VT1 відкритий і насичений, а VT2 закритий. Колекторний струм транзистора VT2, а, отже, і струм управління електрода симистора практично дорівнюють нулю. Симистор, таким чином, закритий, і струм через навантаження не протікає. Зі зменшенням освітленості опір фоторезистора зростає, і струм бази транзистора VT1 починає зменшуватися. При досягненні певного значення транзистор VT1 виходить з насичення і починає закриватися. Збільшується падіння напруги на резисторі R6, R7 підтримує симистор відкритим протягом обох напівперіодів мережевої напруги. Лампи починають світиться в повний накал. Процес вимкнення фотореле відбувається в зворотному порядку. Поріг спрацьовування фотореле встановлюють змінним резистором R2, а резистор R3 служить для обмеження струму дільника при попаданні на фотодатчик прямих сонячних променів. Резистор R6 визначає ток керуючого електрода симистора, який при відкритому транзисторі VT2 повинен бути більше струму симистора, але менше допустимого струму колекторного струму транзистора VT2. Резистор R5 зрівнює напруга на керуючому електроді і катоді симистора, коли транзистор VT2 закрит.Ето забезпечує надійне вимикання симистора і стійкість фотореле в цілому. Граничне пристрій виконаного за схемою тригера Шмітта (VT1, VT2). Тригер Шмітта являє собою пристрій, охоплений позитивним зворотним зв'язком. Наявність позитивного зворотного зв'язку призводить до практично миттєвого зміни напруги на виході схеми при перевищенні вхідним сигналом порогового напруги.

Налаштування фотореле Можна змінити параметри рівня природної освітленості, при якій фотореле включає висвітлення. Для ручного налаштування служить підлаштування резистор R6 ( «Ручна установка моменту включення фотореле»). Якщо повернути резистор за годинниковою стрілкою, то фотореле включиться при більшій природної освітленості, а якщо проти годинникової стрілки - при меншій. Для автоматичної настройки: в момент, коли природна освітленість відповідає обраному рівню, натисніть кнопку і утримуйте її до тих пір, поки миготіння індикатора не зміниться на постійне горіння і далі на подвійне блимання (приблизно через 8 ... 12 сек), тоді відпустіть кнопку. Фотореле буде включатися при знову заданому рівні освітленості.

Фотореле типу Z7-LMK: Розпізнавальних особливості: Фотореле Z7-LMK є компактним приладом для зовнішнього монтажу. Час затримки запобігає небажаному включення при миттєвих змінах інтенсивності освітлення. Смуга нечутливості при зміні інтенсивності освітлення становить близько 15% від налаштованого діапазону.

Виробники:

• Компанія "Енергіс".
• Technoma Ltd. (Болгарія)
• ТОВ електропроектів
• Лепельський електромеханічний завод (Білорусія)

Критерії вибору фотореле:

• За способом кріплення
• За діапазону спрацьовування
• По типу знаходження фотодатчика
• За діапазону комутованих струмів [A]
• За експлуатаційних умов
• По вартості і доступності.