Фотореле: устройство, назначение и виды

Фотореле представляет собой чувствительный прибор, реагирующий на свет. При снижении освещенности до определенного уровня, заданного заранее, устройство срабатывает, включая светильники. Когда становится достаточно светло, датчик отключает осветительные приборы.

В качестве светочувствительных элементов используются фотодиоды, фоторезисторы, фотосимисторы и другие устройства с разным принципом работы. Так, реле с фоторезистором функционирует за счет изменения сопротивления, с фотодиодами – ЭДС, с фотосимистором – взаимодействия положительной и отрицательной гармоник.

Назначение и принцип действия фотореле

Назначение фотодатчика, подключенного к электросети – контролировать уровень освещенности, исходя из времени дня. Когда темнеет, автоматически включается уличное освещение, утром так же выключается.

Любое фотореле состоит из один и тех же деталей:

• фотоэлемента, воспринимающего свет;
• компаратора (усилителя тока);
• трaнcформатора;
• реле (исполнителя);
• датчика движения и таймера или микроконтроллера (дорогие модели);
• магнитного пускателя (не всегда).

Сопротивление фотоэлемента меняется в зависимости от уровня освещенности. С наступлением темноты оно снижается, компаратор усиливается ток и передает на реле, которое к нему подсоединено. При его сpaбатывании загорается светильник.

Утром процесс обратный. Под воздействием света сопротивление фотоэлемента повышается, напряжение тока снижается, компаратор выключает реле и светодиодный светильник.

Выбор подходящего места для установки таймера выключения освещения

Для бесперебойной и корректной работы фотодатчика требуется правильно подобрать место для его установки. Учитываются следующие факторы:

• На прибор обязательно должны попадать солнечные лучи. Конструкция должна находиться под открытым небом или навесом, но не в самом верху.
• Лампы, фонари и окна должны быть расположены как можно дальше, поскольку они могут стать причиной частых ложных срабатываний.
• Не рекомендуется, чтобы на датчик день-ночь регулярно попадало освещение от фар автомобиля.
• Не стоит монтировать датчики слишком высоко. Это вызовет трудности при обслуживании и проведении профилактических мероприятий.

Распространены случаи, когда датчики устанавливают прямо на столбах, но это не всегда практично и удобно. Предпочтительнее крепить к стене дома и проводить питающий кабель.

Основные разновидности устройств

Наиболее популярны следующие типы фотореле для системы уличного освещения:

1. С расположенным внутри корпуса фотоэлементом. Подобный вариант оптимален с позиции полной автоматизации системы внешнего освещения. Устройства комплектуются герметичным корпусом, прозрачная часть которого располагается напротив фотоэлемента.
2. С размещенным внутри фотоэлементом и оснащенные таймером. Благодаря наличию таймера обеспечивается возможность автоматического отключения системы осветительных приборов по истечении установленного промежутка времени. В ассортименте представлены фотореле, предполагающие программирование на день, неделю и больше.
3. С выносным фотодатчиком. Подобный вариант комплектации надежен в эксплуатации. Электронные компоненты устанавливаются в закрытом помещении, в то время как защищенный от температурных перепадов фотоэлемент ставится на улице.

Выбирать подходящую модель следует в соответствии с вашими требованиями и имеющимся в распоряжении бюджетом. Помимо стандартных фотосенсоров, возможно применение комбинированных вариантов: датчиков движения или временных датчиков. В случае наличия в устройстве таймера срабатывание механизма осуществляется в соответствия с временем суток. Модели, комплектуемые одновременно сенсором, встроенным таймером и датчиком движения, наиболее редки. Приборы оснащаются специальным дисплеем и позволяют устанавливать ту или иную программу освещения.

Сумерки

В сутках существуют периоды, называемые «сумерки». Это время перед восходом Солнца и после заката, когда небо частично освещено рассеянным солнечным светом. Выделяют три вида сумерек: гражданские, навигационные и астрономические. Гражданские сумерки определяются как период, когда угол нахождения Солнца под горизонтом составляет от 0°50′ до 6°, навигационные сумерки — от 6° до 12°, а астрономические сумерки — от 12° до 18°.

Наибольший интерес для нас представляют навигационные сумерки. Именно в этот период освещение становится ближе к ночному, чем к вечернему, поэтому улицы городов нуждаются в искусственном освещении. Проще говоря, наружное освещение включается с началом навигационных сумерек (Солнце опускается ниже -6° ) и отключается с их окончанием (Солнце поднимается выше -6° ). Конечно стоит понимать, что в зависимости от погодных условий и в условиях городской застройки, включение может потребоваться раньше, чем Солнце опустится ниже -6° за горизонт.

Еще немного об астрономических реле.

Когда мы обсуждали работу астрономических реле, то упоминали временные корректировки, ускоряющие или замедляющие действие реле. Такой подход с задержкой времени имеет недостатки. Как мы выяснили, освещенность на улицах в основном определяется углом Солнца относительно горизонта. В одном и том же географическом положении скорость, с которой Солнце опускается за горизонт, изменяется в течении года. Или, иначе говоря, в зависимости от времени года изменяется продолжительность сумерек и навигационные сумерки могут наступать позже или раньше. Из-за этого временные задержки в астрономических реле требуют периодических изменений.

Если управлять освещением, опираясь именно на фактическое положение Солнца, то такая проблема отсутствует.

Подробный и крайне наглядный рассказ о движении Солнца был найден на Youtube — Как солнце ходит по небу / How the sun moves across the sky (by daybit).

Схемы датчиков освещения.

Представленная схема взята именно с той платы, которая показана в начале статьи. Сейчас производитель активно улучшает и изменяет свое устройство, поэтому некоторые данные могут измениться.

В принципе, все одинаково:

Напряжение питания 220V поступает через ноль и клеммы. Ноль — N, клеммы — L.

Если вы измените местами фазу и ноль, или вообще выключите ноль, а не фазы, то ничего страшного не случится. Но делать это крайне не рекомендуется, безопасность ещё некто не отменял.

Выпрямляется напряжение при помощи диодного моста, 4 диода типа 1N4007. За фильтрование напряжения отвечает электролитический конденсатор, стабилизация происходит на уровне +22…24V, для этого, установлен стабилитрон типа 1N4748.

Оставшаяся часть схемы питается от постоянного напряжения. Устроена она следующим образом: На выходе резистивного делителя 68к — VR — Фоторезистор создается напряжение, которое полностью обратно идентично уровню освещения. То устройство, которым настраивается уровень срабатывания — это подстроечный резистор VR с сопротивлением 1 МОм.

Что именно ставят в такие схемы: фоторезистор или фотодиод — неизвестно. Вероятнее фоторезистор, но похожий фотодиод тоже может там стоять.

Если вы хотите экономно и эффективно расходовать электроэнергию, то крутите контролер по часовой стрелке до максимума, так датчик освещения будет срабатывать только при наступлении полной темноте. Выкрутив регулятор в обратную сторону, то будьте готовы кто тому, что свет будет включаться даже днем, если над вами нависнет большая туча.

Вот, как проходит процесс выключения света при наступлении темноты: уровень освещения падает, начинает расти сопротивление фоторезисторов, напряжение на базе транзистора растет. Когда напряжение достигает определенного уровня, транзистор открывается и через коллектор начинает протекать ток, который активирует реле К1. Контактами реле включает нагрузку. Нагрузка подключается через вывод LOAD.

Для обозначения рабочего состояния загорается светодиод. Чтобы реле слишком часто не переключало датчик, например, от колеблющейся ветки дерева, на схеме установлен конденсатор 47 мкФ, который сглаживает все процессы.

Более мощная схема датчик освещения LXP-03:

Она идентична первой схеме в статье, отличия перечислю:

1. Схема питания в состоянии ограничивать напряжение в фазной цепи.

2. Тут диодный мост с фильтрами. Такой же и в предыдущей схеме, просто я не очень удачно её изобразил.

3. Вместо одного стабилитрона, как на первой схеме, тут их установлено два последовательно. Притом, напряжение осталось прежнее — +24В.

4. Здесь установлено более мощное реле, с соответственно более мощным током катушки. Также, здесь используется составная схема на два комплементарных транзистора.

Датчик освещенности и плавное изменение яркости подсветки

Можно модифицировать проект так, чтобы в зависимости от уровня освещенности менялась яркость светодиода. В алгоритм мы добавим следующие изменения:

• Яркость лампочки будем менять через ШИМ, посылая с помощью analogWrite() на пин со светодиодом значения от 0 до 255.
• Для преобразования цифрового значения уровня освещения от датчика освещенности (от 0 до 1023) в диапазон ШИМ яркости светодиода (от 0 до 255) будем использовать функцию map().

В случае другого способа подключения, при котором сигнал с аналогового порта пропорционален степени освещенности, надо будет дополнительно «обратить» значение, вычитая его из максимального: