Фотосенсор включения освещения Camelion LXP-02

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Курсовая работа по курсу «Схемотехника»

Тема: «Фотосенсор включения освещения Camelion LXP-02»

Выполнил: 

Студент гр. ЗКС-471                    Григорьев Г.А.

   Проверил:

К.т.н., доцент кафедры ЭиМ      Пивнев В.В.             

Таганрог 2013

Введение

Датчики являются элементом  технических систем, предназначенных  для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Электронные фотосенсоры предназначены для экономного использования электроэнергии при освещении улиц и парков, зданий, рекламных щитов и различных архитектурных сооружений.

Они автоматически включают освещение при уменьшении освещённости (наступлении тёмного времени суток), а также автоматически выключают его при увеличении освещённости (наступлении светлого времени суток).

В настоящее время актуальной задачей является рациональное использование  электроэнергии с помощью средств  электронного контроля и управления. Чему немало способствует большая группа датчиков освещенности.

Цель данной работы –  выбор, сборка, наладка и эксплуатация  схемы устройства на основе электронного управления освещенностью на территории частного домовладения.

При рассмотрении данного  вопроса необходимо решить следующие  задачи:

1. Ознакомиться с рядом устройств и проанализировать их работу;
2. Выбрать оптимальный вариант устройства;
3. Выбрать схему электрическую принципиальную;
4. Подготовить элементную базу для монтажа, наладки и эксплуатации устройства;
5. Разработать и изготовить печатную плату;
6. Собрать электрическую схему;
7. Ввести электрическую схему в эксплуатацию.

1 Обзор устройств и схемных решений

1.1 В качестве основных элементов для датчиков освещенности можно использовать: 1) фотодиоды (pn-фотодиоды, pin-фотодиоды, фотодиоды Шотке, лавинные фотодиоды); 2) фототранзисторы; 3) фоторезисторы.

Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиоды только преобразуют  свет в электрический ток, но не усиливают  его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический – без внешнего напряжения
• фотодиодный – с внешним обратным напряжением

Особенности:

• простота технологии изготовления и структуры
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

1.2 Рассмотрим электронный фотосенсор включения освещения Camelion LXP-01.

Таблица 1 Технико – экономические характиристики электронного фотосенсора включения освещения Camelion LXP-01.

Электронный фотосенсор включения освещения Camelion LXP-01 1400 Вт – это стационарный датчик освещения который самостоятельно реагирует на смену времени суток и производит включение, либо выключение подключенного к нему осветительного прибора. Максимальная мощность устройства подключаемого к сенсору составляет 1400 Вт. Устройство способно работать в большом диапазоне температур от -30°C +40°С, что позволяет его использовать  при неблагоприятных внешних условиях. Рекомендуется использование данного прибора для бытовых нужд.

Преимущества:

• Небольшие габариты;
• Работа со всеми видами осветительных приборов;
• Простая установка и использование;
• Максимальная мощность подключаемой нагрузки – 1400 Вт;
• Невысокая цена.

Недостатки:

• Подвержен воздействию влаги;
• Низкая светочувствительность;
• Недостаточная надежность.

1.3 Рассмотрим электронный фотосенсор включения освещения Camelion LXP-02

Это устройство используется для автономного регулирования  освещения в течении суток. Оно не требует участия человека и самостоятельно включает осветительный прибор при наступлении вечера.  Утром освещение будет также автоматически выключено. Применение фотосенсора позволяет экономно освещать места, где  ручное включение/выключение осветительных приборов затруднено или нежелательно.

Таблица 2 Технико – экономические характиристики электронного фотосенсора включения освещения Camelion LXP-02.

Преимущества:

• Небольшие габариты;
• Работа со всеми видами осветительных приборов;
• Простая установка и использование;
• Максимальная мощность подключаемой нагрузки – 2200 Вт;
• Высокая светочувствительность;
• Невысокая цена.

Недостатки:

• Подвержен воздействию влаги;
• Недостаточная надежность

1.4 Рассмотрим электронный фотосенсор включения освещения SEN25

Датчик SEN25 также построен на базе фотодиода.

Таблица 3 Технико – экономические характиристики электронного фотосенсора включения освещения SEN25

Рис. 1 Внешний вид датчика освещенности SEN25

Принцип его действия следующий. Под воздействием света на прямосмещенный p-n переход (источник питания подключен положительным выводом к зоне p) ток через фотодиод возрастает незначительно по сравнению с током в отсутствие освещения. В этом случае ток смещения намного превышает ток, генерируемый светом. При обратном смещении p-n перехода этот ток сильно возрастает и пропорционален оптической мощности падающего на фотодиод света. Это можно использовать при построении детекторов световых излучений. В pin-фотодиодах для увеличения быстродействия меду p- и n-слоями формируется дополнительный слой i, обладающий высоким удельным сопротивлением. Такие приборы работают лучше при обратном смещении перехода, имеют низкий ток утечки и высокое напряжение пробоя.

Датчик освещенности на основе такого фотодиода (схема электрическая принципиальная приведена на рис. 3) смонтирован на печатной плате, топологическая схема которой показана на рис. 2. Его подключение осуществляется с помощью обычных проводников. Внешний вид конструкции датчика представлен на рис. 1. В качестве фотометрического датчика используется фотодиод BPW34.

Рис. 2 Топологическая схема печатной платы датчика освещенности SEN25

Рис. 3 Принципиальная схема датчика освещенности SEN25

Четыре резистора, которые  можно подключать к цепи обратной связи первого каскада усилителя, реализованного на базе микросхемы LM358, позволяют проводить измерения освещенности с верхними пределами 15 лк. Питание устройства может осуществляться от источника переменного напряжения 220 – 240 В.

Преимущества:

• Небольшие габариты;
• Работа со всеми видами осветительных приборов;
• Простая установка и использование;
• Максимальная мощность подключаемой нагрузки – 1400 Вт;
• Невысокая цена.

Недостатки:

• Подвержен воздействию влаги;
• Низкая светочувствительность;
• Момент срабатывания зависит от  места установки фотосенсора.
• Недостаточная надежность.

Проанализировав технико – экономические характеристики вышеприведенных устройств выбираем фотосенсор включения освещения Camelion LXP-02, как устройство, наиболее удовлетворяющее нашим требованиям.

2 Принцип действия и конструкция фотосенсора включения освещения Camelion LXP-02

2.1 Принцип действия фотосенсора включения освещения Camelion LXP-02.

Рис. 4 Схема электрическая принципиальная электронного фотосенсора включения освещения Camelion LXP-02

Принцип действия прибора следующий. На R1, C1 напряжение сети гасится примерно до 20В (резистор R2 разряжает конденсатор С1 после отключения питания). Мост, образованный диодами VD1-VD-4, выпрямляет переменное напряжение. Конденсатор C2 сглаживает пульсации, а стабилитрон VD5 не даёт напряжению превысить уровень в 21-24 вольта. R3 и R4 образуют делитель напряжения. Фоторезистор R4 меняет свое сопротивление от 20 кОм при полной темноте до минимального 1-0,5 кОм (чем ярче - тем меньше) при полной освещённости. Маркировки на нём нет, указанные значения сопротивлений были измерены мультиметром. Таким образом при попадании светя на фоторезистор его сопротивление минимально и напряжения на его верхнем по схеме выводе, подключенного через светодиод и резистор R5 к базе VT1, недостаточно для открытия транзистора. Обмотка реле К1 обесточена. Напряжение сети, коммутируемое контактами реле, на нагрузке отсутствует.

При уменьшении освещённости сопротивление фоторезистора растёт, напряжение на нём так же увеличивается  и достигает порога открытия транзистора VT1. При этом ток течёт через  светодиод HL1, что вызывает свечение последнего - типа индикатор включения, правда через корпус колпака совсем невидимый. Транзистор открывается, обмотка  получает питание и контакты реле замыкаются. Нагрузка получает своё. Резистор R5 ограничивает базовый ток VT1 а диод VD6 защищает транзистор от всплесков напряжения при отключении питания обмотки. Конденсатор С3 делает устройство малость заторможенным и не позволяет транзистору переключаться туда суда слишком часто. Т.е. если кратковременно осветить включенный датчик, например светом фар автомобиля, нагрузка не отключится тут же, а только через несколько секунд, пока С3 не разрядится. Аналогично и наоборот - включение нагрузки происходит не сразу после затемнения датчика.

2.2 Разработка и изготовление печатной платы.

Печа́тная пла́та (англ. printed circuit board, PCB) — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

В отличие  от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие – «паяльная маска» и маркировка – вспомогательный рисунок и текст, согласно конструкторской документации.

В зависимости  от количества слоёв с электропроводящим  рисунком, печатные платы подразделяют на:

• односторонние (ОПП; имеется только один слой фольги);
• двухсторонние (ДПП; два слоя фольги);
• многослойные (МПП, англ. multilayer printed circuit board; фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика).

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.

Конструирование плат происходит в специализированных программах автоматизированного проектирования. Наиболее известны P-CAD, OrCAD, TopoR, Altium Designer, Specctra, Proteus, gEDA, KiCad и др.

Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок  формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале, путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.

Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:

• Изготовление заготовки (фольгированного материала).
• Обработка заготовки с целью получения нужных электрического и механического вида.
• Монтаж компонентов.
• Тестирование.

При изготовлении плат используются химические, электролитические или  механические методы воспроизведения  требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации.

Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного  материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами.

В любительских условиях защитный слой в виде лака или краски может  быть нанесен шелкотрафаретным способом или вручную. Радиолюбители для формирования на фольге травильной маски применяют перенос тонера с изображения, отпечатанного на лазерном принтере («лазерно-утюжная технология»).

Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в  растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса, персульфата аммония, аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов, на основе хромового ангидрида. При использовании хлорного железа процесс травления платы идет следующим образом: FeCl3+Cu → FeCl2+CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35°С. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (NH4)2S2O8+Cu → (NH4)2SO4+CuSO4.

После травления защитный рисунок с фольги смывается.

Пайка является основным методом монтажа компонентов на печатные платы. Пайка может выполняться как вручную паяльником так и с помощью специально разработанных специфических технологий.

После пайки плату обрабатывают растворителями с целью удаления остатков флюса и других загрязнений, либо, при использовании безотмывочной паяльной пасты, плата готова сразу для некоторых условий эксплуатации.

Установка компонентов может  выполняться как вручную так и на специальных автоматах-установщиках. Автоматическая установка уменьшает вероятность ошибки и значительно ускоряет процесс (лучшие автоматы устанавливают несколько компонентов в секунду).

После пайки печатную плату  с компонентами покрывают защитными  составами: гидрофобизаторами, лаками, средствами защиты открытых контактов.

Рис. 5 Внешний вид печатной платы электронного фотосенсора включения освещения Camelion LXP-02

Рис. 6 Печатная плата со смонтированными на ней электронными компонентами

Заключение

В данной работе рассмотрена  тема «Фотосенсор включения освещения Camelion LXP-02».

Целью данной работы являлись выбор, сборка, наладка и эксплуатация  схемы устройства на основе электронного управления освещенностью на территории частного домовладения.

При рассмотрении данного  вопроса были решены задачи по:

1. Ознакомлению с рядом устройств автоматического включения освещения;
2. Выбору оптимального варианта устройства;
3. Выбору схемы электрической принципиальной;
4. Подготовке элементной базы для монтажа,  наладки и эксплуатации устройства;
5. Разработке и изготовлению печатной платы;
6. Сборке электрической схемы;
7. Вводу электрической схемы в эксплуатацию.

В результате выбрано устройство – электронный фотосенсор включения освещения Camelion LXP-02.

Это устройство используется для автономного регулирования  освещения в течении суток. Оно не требует участия человека и самостоятельно включает осветительный прибор при наступлении вечера.  Утром освещение автоматически выключается. Применение данного фотосенсора позволяет экономно освещать места, где  ручное включение/выключение осветительных приборов затруднено или нежелательно. Оно недорого и функционально.