Αισθητήρας Φωτός με Φωτοαντίσταση

  
Your web browser does not support canvas!

Σκοπός του κυκλώματος:Το αντικείμενο πραγματεύεται το κύκλωμα ενός αισθητήρα φωτός που ανάλογα με τις συνθήκες φωτισμού του χώρου, ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί την τροφοδοσία ενός κυκλώματος φωτισμού που περιλαβάνει μία λυχνία υπό τάση 230V AC. Πιο συγκεκριμένα, όταν ο φωτισμός στον χώρο που βρίσκεται ο αισθητήρας είναι περιορισμένος, τότε το κύκλωμα του αισθητήρα, μέσω ρελέ, ενεργοποιεί τη λυχνία, ενώ όταν ο φωτισμός είναι ισχυρός, τότε η λυχνία παραμένει σβηστή.
Δομικά στοιχεία κυκλώματος: μία μπαταρία 9V, μία φωτοαντίσταση LDR, ένας τελεστικός ενισχυτής LM358, δύο διαιρέτες τάσης που οδηγούν την αναστρέφουσα (ακροδέκτης -) και μη αναστρέφουσα είσοδο (ακροδέκτης +) του ενισχυτή, ένα ποτενσιόμετρο, ένα ρελέ με αντίσταση πηνίου 720Ω και ένα διπολικό BC337 npn τρανζίστορ που λειτουργεί σαν διακόπτης για την ενεργοποίηση του ρελέ.
Λειτουργία των στοιxείων του κυκλώματος: Η LDR λειτουργεί σαν το αισθητήριο του φωτός. Έχει μία αντίσταση που μεταβαλλεται αντιστρόφως ανάλογα με τον φωτισμό, και αυτήν ακριβώς τη μεταβολή της αντίστασης εκμεταλλευόμαστε για να ορίσουμε το κατώφλι του φωτισμού χώρου κάτω από το οποίο ενεργοποιείται το κύκλωμα της λυχνίας. Ο ενισχυτής είναι συνδεδεμένος σε συνδεσμολογία ανοιχτού βρόχου και λειτουργεί σαν συγκριτής: Συγκρίνει την τάση στον ακροδεκτη + που εξαρτάται μέσω της LDR από τον φωτισμό, με την τάση στον ακροδέκτη - που εξαρτάται από το ποτενσιόμετρο. Όταν η τάση V+, είναι μεγαλύτερη από την τάση V-, τότε η έξοδος του ενισχυτή είναι υψηλή (περίπου 5.3V), με αποτέλεσμα το διπολικό τρανζίστορ να άγει και έτσι να ενεργοποιείται το ηλεκτρομηχανικό ρελέ και άρα το κύκλωμα της λυχνίας. Αντίθετα, όταν η τάση V+ είναι μικρότερη από την τάση V-, τότε η έξοδος του ενισχυτή είναι 0V με αποτέλεσμα το τρανζίστορ να είναι στην αποκοπή και έτσι το ρελέ άρα και η λυχνία να είναι απενεργοποιημένα. Παρατηρήστε ότι ο ακροδέκτης θετικής τροφοδοσίας του ενισχυτή συνδέεται στον θετικό πόλο της πηγής ενώ η αρνητική στον αρνητικό ακροδέκτη της μπαταρίας.

Εφαρμογή 1

Μετακινήστε το χειριστήριο για τον φωτισμό χώρου και καταγράψτε για τις διάφορες τιμές φωτισμού την μεγαλύτερη και μικρότερη τιμή της αντίστασης RLDR από την ένδειξη που παρέχει το αντικείμενο πάνω στο κυκλωματικό διάγραμμα, δίπλα στο γραφικό για την αντίσταση RLDR.

Εφαρμογή 2

Μετακινήστε τον δρομέα στην θέση όπου RΑΔ=44kΩ με τη βοήθεια του χειριστηρίου 'Αντίσταση RΑΔ' στο δεξί μέρος της οθόνης. Μετακινήστε τώρα το χειριστήριο για τον φωτισμό για να βρείτε για ποιο επίπεδο φωτισμού και πάνω ο αισθητήρας απενεργοποιεί το κύκλωμα της λυχνίας. Κάνετε το ίδιο και για την αντίσταση RΑΔ=67kΩ. Τι παρατηρείτε; Αυτή η θέση του ποτενσιομέτρου προσφέρεται για τον ορισμό κατωφλίου φωτισμού πάνω από το οποίο απενεργοποιείται το κύκλωμα της λυχνίας; Για ποιες τιμές της αντίστασης RΑΔ μπορούμε να ορίσουμε αυτό το κατώφλι;

Εφαρμογή 3

Ο τελεστικός ενισχυτής έχει πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου και έτσι το ρεύμα που απορροφούν η αναστρέφουσα και η μη αναστρέφουσα είσοδος είναι πάρα πολύ μικρό. Άρα, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι οι αντιστάσεις RLDR, R1 και R2 διαρρέονται ουσιαστικά από το ίδιο ρεύμα. Έτσι οι παραπάνω αντιστάσεις σχηματίζουν ένα διαιρέτη τάσης. Ομοίως και το ποτενσιόμετρο αποτελεί ένα δεύτερο διαιρέτη τάσης.
Εφαρμόστε τον τύπο καταμερισμού της τάσης σε αυτούς τους δύο διαιρέτες τάσης για να υπολογίσετε τις τάσεις στους ακροδέκτες + και -, όταν ο φωτισμός είναι 70 Lux, οπότε η RLDR είναι 5.4 kΩ και ο δρομέας του ποτενσιόμετρου είναι στη θέση όπου RΑΔ=74kΩ. Συμφωνεί η απάντησή σας με τις ενδείξεις που παρέχει το αντικείμενο στο πράσινο πλαίσιο κάτω από το κύκλωμα; Πόση είναι τότε η τάση στην έξοδο του συγκριτή; Το τρανζίστορ τότε άγει ή είναι στην αποκοπή;

Διερεύνηση 1

Ο τελεστικός ενισχυτής έχει πολύ μεγάλο κέρδος, περίπου 100000. Αυτό σημαίνει οτι ο ενισχυτής προσπαθεί να δώσει στην έξοδο μία τάση που είναι 100000 φορές μεγαλύτερη από την διαφορά V+ - V-. Είναι λοιπόν σωστό να ισχυριστούμε για το κύκλωμα του αντικειμένου ότι όταν V+ - V-=1V, τότε η τάση στην έξοδο του ενισχυτή είναι 100000V; Αντί της συνδεσμολογίας ανοιχτού βρόχου, ποια είναι η συνήθης συνδεσμολογία ενός τελεστικού ενισχυτή για να ενισχύσει ένα σήμα;

Διερεύνηση 2

Από το φύλλο προδιαγραφών του τελεστικού ενισχυτή LM358, βλέπουμε ότι αυτός λειτουργεί με τον προβλεπόμενο τρόπο, όταν οι τάσεις V+ και V- είναι τουλάχιστον 1.5 volt μικρότερες από την τάση τροφοδοσίας του ενισχυτή. Για το κύκλωμα του αντικειμένου, ποια είναι λοιπόν η μεγαλύτερη τάση που μπορεί να χειριστεί ο ενισχυτής στους ακροδέκτες V+ και V-; Για ποια αντίσταση RΑΔ, η τάση στον ακροδέκτη V+ παίρνει μεγαλύτερες τιμές; Συμφωνεί η απάντησή σας με τις ενδείξεις που παρέχει το αντικείμενο στο πράσινο πλαίσιο κάτω από το κύκλωμα; Από τον τύπο του καταμερισμού τάσης, ποια είναι η μέγιστη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στην αναστρέφουσα είσοδο του ενισχυτή; Η τάση αυτή επιτυγχάνεται την ημέρα ή τη νύχτα και γιατί;

Διερεύνηση 3

Δεδομένου ότι η μέγιστη τάση εξόδου που βγάζει ο συγκριτής είναι 5.3V και ότι η μέγιστη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί μεταξύ των ακροδεκτών της Βάσης (Β) και του Εκπομπού (Ε) του τρανζίστορ είναι 5V σύμφωνα με το φύλλο προδιαγραφών του τρανζίστορ, ποια θεωρείτε ότι είναι η χρησιμότητα της αντίστασης R3;

Διερεύνηση 4

Αντί της κανονικά ανοιχτής επαφής του ρελέ, τι επαφή ενός ρελέ πρέπει να χρησιμοποιήσετε ώστε το κύκλωμα της λυχνίας να έχει την αντίστροφη συμπεριφορά από αυτή που έχει τώρα; Δηλαδή η λυχνία να ανάβει όταν τώρα είναι σβηστή και να είναι σβηστή όταν τώρα ειναι αναμμένη;

Διερεύνηση 5

Παρατηρήστε στην εικόνα του ολοκληρωμένου ενισχυτή LM358 που παρέχει το αντικείμενο ότι το ολοκληρωμένο έχει 8 ακροδέκτες. Στο κύκλωμα του αντικειμένου χρησιμοποιούνται μόνο οι 5 από τους 8 ακροδέκτες. Ποια είναι η χρησιμότητα των υπόλοιπων 3 ακροδεκτών; Αναζητήστε πληροφορίες στη σχετική σελίδα από το φύλλο προδιαγραφών του ολοκληρωμένου LM358 που ακολουθεί.

Διερεύνηση 6

Δεδομένου ότι το πηνίο του ρελέ έχει πολύ μεγάλη αυγεπαγωγή και άρα εμφανίζει υπερτάσεις κάθε φορά που απενεργοποιείται, ποια θεωρείτε ότι είναι η χρησιμότητα της διόδου που συνδέεται παράλληλα στο ρελέ;

Φωτοαντίσταση LDR

Ολοκληρωμένο κύκλωμα LM358

Επίπεδο φωτός
Lux

Ποτενσιόμετρο


  LDR
  LM358

Στοιχεία Θεωρίας

Εφαρμογή

Διερεύνηση