Современная элементная база электроники позволяет создавать устройства простые по схемотехнике, но имеющие достаточно широкий набор функций. Раньше такие приборы были доступны лишь для использования в сложных и дорогих профессиональных системах, а теперь их применение делает нашу повседневную жизнь более комфортной и легкой.

В этой статье будет рассказано о приборах, использующих датчики, реагирующие на инфракрасное излучение. Когда-то такие датчики применялись в основном в охранных системах, а теперь уже никого не удивляют двери, открывающиеся перед каждым входящим человеком или автоматическое включение освещения в подъезде. И все это инфракрасные датчики! Часто их называют пироэлектрическими датчиками.

Пироэлектрический датчик. Устройство и принцип работы

Пироэлектрические датчики по принципу работы являются пассивными. Это значит, что они не генерируют никаких электромагнитных сигналов, а просто являются приемником инфракрасных лучей, поэтому для человека абсолютно безвредны.

Каждый предмет является источником инфракрасного излучения, и человеческое тело в этом смысле также не исключение. Пироэлектрические датчики устроены таким образом, что реагируют не на само инфракрасное излучение, его абсолютную величину, а именно на его изменение. Поэтому, даже незначительное перемещение объекта, например, человека будет зафиксировано таким датчиком.

В качестве примера рассмотрим пироэлектрический датчик IRA-E710 фирмы Murata. Его устройство показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Устройство пироэлектрического датчика IRA-E710

Основой пироэлектрического датчика является фотоэлемент, чувствительный к инфракрасному излучению, который вырабатывает электрический сигнал пропорциональный величине излучения. Для согласования фотоэлемента со схемой и первоначального усиления сигнала используется полевой транзистор.

Если датчик построить всего на одном фотоэлементе, то он будет срабатывать не только от движущихся предметов, а также просто от внешней температуры, солнечных лучей, от радиаторов отопления и изменения температуры самого датчика, точнее его корпуса.

Другими словами помехозащищенность такого датчика слишком низкая. Чтобы ее повысить пироэлектрические датчики изготавливаются на базе двух фотоэлементов, включенных встречно, как показано на рисунке, что позволяет компенсировать только что упомянутые факторы.

Такой датчик реагирует только на изменение величины излучения, что позволяет использовать его в качестве детектора движения. Еще большую надежность в работе датчику обеспечивает светофильтр, настроенный на длину волны 5-14 мкм. Такое излучение наиболее характерно для человеческого тела.

Однако, не следует думать, что датчик улавливает только перемещение разогретых предметов. В помещении всегда есть определенный инфракрасный фон, поэтому перемещение любого предмета, даже с температурой окружающей среды, вызывает изменение общего фона и срабатывание датчика.

К недостаткам описываемого датчика можно отнести то, что он чувствителен лишь к перемещениям поперек, то есть с одного фотоэлемента на другой. При перемещениях вдоль поверхностей обоих фотоэлементов сигнал вырабатываться не будет. Поэтому при установке таких датчиков их следует ориентировать соответствующим образом, о чем будет сказано выше.

Чтобы избавиться от такого вредного эффекта для особо ответственных случаев разрабатываются и применяются датчики на основе четырех фотоэлементов. Правда, датчики такого типа сложнее и дороже, что также усложняет и схему их подключения и управления.

Датчики выпускаются для обычного и поверхностного (SMD) монтажа. Их внешний вид показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Датчики IRA-E710. Внешний вид

Применение датчиков движения

Изначально датчики движения предназначались для создания систем охранных сигнализаций. С развитием элементной базы пироэлектрические датчики стали намного дешевле и доступней, что позволило применить их в бытовых целях.

Это прежде всего автоматическое включение освещения, открывание дверей, а также управление системами видеонаблюдения. Такая автоматика позволяет экономить значительное количество электроэнергии, либо тепла в помещении. При использовании в системах видеонаблюдения экономится пространство на жестких дисках компьютера управляющего работой видеосистемы.

Алгоритм работы системы автоматического включения света

При автоматическом включении света, например в подъезде, при появлении человека в поле зрения прибора освещение должно включиться, и по истечении некоторого времени выключиться. Пока человек находится в поле зрения прибора, освещение выключаться не должно, выдержка увеличивается. В светлое время суток автоматического включения света происходить не должно.

В точности также работают прожекторы с датчиком движения, предназначенные для установки на улице: освещение ворот и двора возле дома, лестницы у входа в магазин и в других случаях. Такие прожекторы выпускаются совместно с датчиком движения, либо датчик движения может быть отдельным.

Одна из схем автоматического управления освещением показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема управления освещением от датчика движения (нажмите на рисунок для просмотра схемы в большем формате)

Описание работы схемы

В качестве приемника инфракрасного излучения в схеме применен пироэлектрический датчик PIR1. Перед его фотоэлементами устанавливается модуляционная решетка из узких непрозрачных и прозрачных полос, которая расположена горизонтально. Поэтому получается, что для фотоприемника объект, перемещающийся поперек полос модуляционной решетки, то открыт, то закрыт, что вызывает появление переменного напряжения на выходе датчика.

Сказанное иллюстрирует рисунок 4, на котором показано правильное расположение датчика. Размер объекта, обнаруживаемого прибором, определяется шириной полос модуляционной решетки. Изменением ширины полос можно настраивать чувствительность прибора в целом. Ширина зоны действия прибора может настраиваться изменением размера окна модуляционной решетки.

Рисунок 4. Схема установки датчика движения

Питание внутреннего усилителя датчика PIR1 подано на его вывод 1 через фильтр R1C1. Выходной сигнал датчика снимается с вывода 2 и поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 1 микросхемы DA1 типа LM324. Данная микросхема представляет собой четыре операционных усилителя (ОУ) не зависимых друг от друга. Единственное, что их объединяет, это общие выводы питания и корпус.

На ОУ1 собран усилитель с коэффициентом усиления около 150, к которому непосредственно подключен датчик PIR1. Если в зоне действия датчика не происходит движения, то на выходе ОУ1 постоянный уровень напряжения, около половины напряжения источника питания.

При обнаружении в поле зрения датчика движущегося объекта на выводе 2 появляется переменное напряжение, которое усиливается ОУ1. На выходе ОУ1 появляется переменная составляющая, которая через конденсатор С2 подается на следующий каскад усиления, выполненный на ОУ2 с коэффициентом усиления примерно 100.

После этих каскадов усиленный до необходимого уровня сигнал поступает на вход компаратора на ОУ3 – вывод 10 микросхемы DA1. Уровень срабатывания компаратора определяется величиной резисторов R8, R11, R20. В исходном состоянии на выходе компаратора напряжение низкого уровня.

Если на выходе ОУ2 – вывод 14 - появятся прямоугольные импульсы, превышающие заданный уровень срабатывания, на выходе компаратора ОУ3 – вывод 8 – появится высокий уровень напряжения, точнее тоже импульсы, которые зарядят конденсатор С7. Диод VD5 препятствует разряду этого конденсатора через выход компаратора, когда на нем низкий уровень. Поэтому конденсатор может разрядиться лишь через последовательную цепь R14 и R22. С помощью переменного резистора R22 время разряда можно установить в пределах 5 сек…5мин.

Напряжение, накопленное на конденсаторе С7 поступает на неинвертирующий вход второго компаратора, выполненного на ОУ4, уровень срабатывания которого задается делителем R9, R13. Выходной сигнал этого компаратора поступает на базу транзистора VT1, который с помощью симистора VD2 подключает нагрузку.

Время срабатывания компаратора на ОУ4 определяется временем заряда конденсатора С7, которое увеличивается на время срабатывания датчика: пока не прекратилось движение в поле зрения прибора конденсатор С7 будет подзаряжаться. Таким образом, пока в помещении кто-то движется, освещение гарантированно не отключится.

Для того, чтобы освещение не включалось в светлое время суток, прибор содержит датчик освещенности, выполненный на фотодиоде VD7 типа ФД263, который включен в обратном направлении. Режимы его работы задаются делителем R15, R23.

Напряжение с движка переменного резистора R23 подается на базу транзистора VT2. Пока в помещении темно фотодиод закрыт и напряжение на базе транзистора VT2 высокое, поэтому он закрыт и на работу схемы влияния не оказывает.

При увеличении освещенности фотодиод открывается, и напряжение на базе VT2 падает, что приводит к его открытию. Открытый транзистор через диод VD9 шунтирует прохождение сигнала с выхода ОУ2 на вход компаратора на ОУ3. Поэтому заряда конденсатора С7 не происходит и освещение также включено не будет.

Для того, чтобы при включении освещения датчик дневного освещения не решил, что наступил день, его работа блокируется через диод VD8, подключенный к выходу компаратора на ОУ4. Конденсатор С10 обеспечивает задержку включения датчика внешнего освещения при включении лампы, тем самым предотвращая ложные срабатывания датчика.

Питание прибора бестрансформаторное. Через гасящий конденсатор С9 напряжение сети поступает на выпрямитель, выполненный на диодах VD4 и VD6. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором С8, и напряжение стабилизируется на уровне 16В стабилитроном VD3. Это напряжение используется для питания ключевого каскада на транзисторе VT1, управляющего работой силового ключа на симисторе VD2.

На элементах R2, C3, и VD1 собран параметрический стабилизатор напряжения 9,1В, которое используется для питания всех узлов прибора: PIR–датчика, микросхемы DA1, и фотодатчика дневного освещения на транзисторе VT2.

Описанная схема выпускается в виде набора фирмой Мастер Кит. Набор содержит все необходимые радиодетали, готовую печатную плату и корпус для сборки устройства, показанный на рисунке 5. Также в состав набора входит инструкция по сборке и налаживанию устройства.

Хотя в целом схема считается несложной, и при безошибочной сборке из исправных деталей должна начать работать сразу, хочется обратить внимание на то, что она имеет бестрансформаторное питание. Поэтому при сборке и наладке следует быть предельно внимательным, соблюдать правила техники безопасности, а еще лучше воспользоваться разделительным трансформатором.

Рисунок 5. Корпус из набора Мастер Кит

Полностью на рабочий режим схема выходит через полторы – две минуты после включения, поэтому все настройки следует производить по истечении этого времени. Настройки несложны и сводятся к установке требуемого времени задержки резистором R22, а с помощью резистора R23 выбирается порог срабатывания датчика освещенности.

Порог срабатывания самого датчика движения определяется номиналом резистора R11. Если необходимо увеличение чувствительности, его величину можно несколько уменьшить. Соответственно, при большом количестве ложных срабатываний, придется изменить значение в сторону увеличения.

На рисунке 6 показана еще одна схема инфракрасного датчика движения, которая очень похожа на схему, приведенную на рисунке 3.

Рисунок 6. Инфракрасный датчик движения. Вариант 2 (для увеличения изображения нажмите на рисунок)

Подобной схемой комплектуется прожектор с галогенной лампой в виде единого устройства, и устанавливается, как правило, на подъездах частных домовладений. Его назначение включать свет на дворе при приходе хозяев дома, а кроме того предупреждать хозяев о проникновении на территорию гостей, в том числе и незваных. Сама схема очень похожа на предыдущую и выполняет те же функции, поэтому подробного описания не требуется. Остановимся лишь на отдельных узлах.

В качестве инфракрасного датчика используется фототранзистор PIR D203C, сигнал с которого поступает на микросхему DA1, такую же, как на предыдущей схеме. Чувствительность датчика настраивается переменным резистором VR3. Датчик освещенности выполнен на фоторезисторе CDS, который через транзистор VT2 в светлое время суток блокирует работу транзистора VT1, включающее реле управления нагрузкой. Поэтому в светлое время суток включение прожектора не происходит.

Так же, как и предыдущая, схема содержит выдержку времени, которая выполнена на конденсаторе С14, время разряда которого регулируется переменным резистором VR1. Пределы регулировки времени указаны непосредственно на схеме.

Галогенный прожектор с датчиком движения предназначен для установки на улице, поэтому в зону действия датчика кроме людей могут попадать кошки, собаки или другие мелкие животные. Это может вызвать ложное срабатывания датчики и включение света.

Чтобы защититься от подобных ложных срабатываний рекомендуется перед датчиком устанавливать защитный экран, который несколько ограничит зону видимости прибора снизу: вполне достаточно видеть не всю калитку, а лишь ее верхнюю половину, чтобы различить пришедшего человека.

В более сложных датчиках движения эта задача решается с помощью встроенного микроконтроллера, которому вполне под силу определить размер объекта: машина, человек или мышь. Конечно, такие датчики более дороги.

Автоматические включатели освещения с акустическими датчиками

Для управления светом в подъездах многоквартирных домов используются также оптико-акустические выключатели. Выключатели содержат микрофон, оптический датчик и выходное ключевое устройство.

Логика работы подобных выключателей та же, что и у инфракрасных: в светлое время суток микрофон отключен оптическим датчиком, а в темноте освещение включится даже при незначительных звуках в подъезде. Выдержка времени около 1 минуты, после чего свет гаснет.

При новом возникновении звуков цикл повторяется. Чувствительность микрофона такова, что он улавливает звук на расстоянии до 5 м, что вполне достаточно для подъездных условий. Конечно, такой датчик нельзя использовать на улице, ведь свет будет включаться от любого звука, например, от проехавшего мимо автомобиля.

Конструктивно оптико-акустические выключатели выпускаются в двух исполнениях: либо в виде отдельного блока, устанавливаемого на стене или потолке, либо встроенными в светильники различных конструкций. Такие выключатели показаны на рисунках 7 и 8 соответственно.

Рисунок 7. Оптико-акустический энергосберегающий выключатель ЭВ-05

Рисунок 8. Светильник ЭВС-01 со встроенным оптико-акустическим выключателем

Цена таких выключателей, как правило, меньше, чем выключателей с инфракрасным датчиком, поэтому их можно рекомендовать для использования в системах ЖКХ, хотя это не исключает и установку инфракрасных датчиков.

Борис Аладышкин, http://electrik.info/