Краткая теория

Введение. Фотореле различных конструкций и схемных решений нашли широкое применение в текстильной промышленности в системах позиционного регулирования и контроля. Они используются для регулирования уровня волокнистой массы в бункерах питания чесальных машин, контроля обрыва ленты на ленточных машинах и нити на ткацких станках и вязальных машинах, сматывания уточных нитей со шпулей на ткацких станках, положения ткани в нитенаправителях поточных линий отделочного производства.

Надежность в работе, относительно невысокая стоимость и универсальность применения, а также обеспечение бесконтактного метода измерения технологических параметров позволили фотореле занять достойное место в ряду современных и перспективных устройств автоматики.

Фотореле включает в себя источник светового потока – излучатель, фотоприемник – фотопреобразователь светового потока в электрический ток, усилитель, релейный элемент.

В качестве излучателей применяются лампы накаливания, газонаполненные лампы, полупроводниковые светодиоды и лазеры. Могут быть использованы естественный солнечный свет, освещение помещения, инфракрасное излучение нагретых тканей и т. д.

В качестве фотоприемников применяются вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототеристоры, фотопреобразователи (например, фототранзистор и усилитель в микросхемном исполнении в одном корпусе) и др. Сравнительные характеристики фотоприемников и их основные параметры приведены ниже.

В схемах современных эксплуатируемых фотореле применяются усилители разнообразных конструкций – на транзисторах, тиристорах, микросхемах постоянного и переменного тока, импульсные, с модуляцией и др.

Роль релейного элемента в фотореле выполняют электромагнитные или электронные реле. Электронные реле – это, как правило, усилитель с большим коэффициентом усиления, с положительной обратной связью, работающий в режиме переключения: триггер, одновибратор, переключающая схема. Строятся они на транзисторах, динисторах, тиристорах, микросхемах аналоговой и дискретной техники.

Фотореле. В данной работе предлагается изучить и исследовать три схемы реле: на фоторезисторе без усилителя, а также на фотодиодах с усилителем и разными излучателями светового потока. Излучатель для первых двух фотореле представлен на рис. 4.1. Лампа накаливания H1 питается через потенциометр R1 от источника переменного тока U1. Измерение напряжения, подаваемого на лампу H1, производится вольтметром V1. При изменении напряжения на лампе H1 с помощью потенциометра R1 световой поток, излучаемый лампой, соответственно изменяется.

Рис. 4.1

В качестве релейного элемента фотореле имеют электромагнитное реле, замыкающие контакты которых при замыкании включают нагрузку.

Фотореле на фоторезисторе. Принципиальная электрическая схема фотореле на фоторезисторе ФС-К1 представлена на рис. 4.2. Питание фотореле осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В через переключатель S2. Диод VD1 служит для выпрямления тока, а конденсатор С (0,5 – 2 мкФ) обеспечивает уменьшение амплитуды пульсаций постоянного тока через катушку K1. Последовательно с катушкой K1 включены фоторезистор ФР и потенциометр R2, обеспечивающий изменение тока в цепи реле, что позволяет изменять порог чувствительности срабатывания реле K1. Ток в цепи катушки реле K1 измеряется миллиамперметром мА1.

Рис. 4.2

Принцип работы реле следующий. Если фоторезистор ФР не освещен, т. е. если на него падает малый световой поток, его сопротивление велико (100 – 200 кОм), и поэтому ток в цепи катушки реле K1 меньше тока срабатывания реле. При освещении ФР его сопротивление уменьшается (до трех раз). Ток в цепи катушки реле K1 превышает ток срабатывания, и реле срабатывает, т. е. замыкается замыкающий контакт K1.1 в цепи нагрузки (лампа H2). Загорается лампа H2. В это время за один полупериод сетевого напряжения питается катушка реле K1 и конденсатор C заряжается через диод VD1; во второй полупериод сетевого напряжения от сети не потребляется ток, и питание реле K1 происходит от конденсатора C.

При уменьшении светового потока, падающего на ФР, ток в цепи K1 уменьшается, реле выключается и замыкающий контакт размыкается. Лампа H2 гаснет.

Такое реле имеет ряд существенных недостатков: к фоточувствительному элементу ФР подводится повышенное напряжение (более 60 В); в схеме необходимо применять высокочувствительное (более дорогое, менее надежное) реле постоянного тока, так как ток, идущий через ФР, не превышает 2 – 3 мА; сопротивление ФР при этом в большей степени зависит от температуры окружающей среды и протекающего через ФР тока, влажности и изменяется во времени; ФР, допускающие относительно большой ток, имеют большой разброс статических характеристик. Поэтому, хотя такие фотореле без усилителя иногда и используются в промышленности, применять их не рекомендуется.

Фотореле на фотодиоде. Схема фотореле с усилителем, изображенная на рис. 4.3, построена на двух транзисторах VT1, VT2 с общим эмиттером и непосредственной связью транзисторов. Схема представляет собой усилитель постоянного тока, в выходную цепь которого включено электромагнитное реле K2.

Рис. 4.3

Для защиты транзистора VT2 от повышенного напряжения, возникающего при его выключении благодаря появлению ЭДС самоиндукции катушки K2, установлен диод VD2, обеспечивающий замыкание тока самоиндукции (разряд индуктивности) при отключении реле K2.

Включение питания фотореле осуществляется тумблером S3. Фотодиод ФД1 (типа ФД–3) включен в базовую цепь транзистора VT1. От отдельного источника постоянного тока подается напряжение U смещения, запирающее транзистор VT1. Ток смещения регулируется потенциометром R3 и измеряется микроамперметром мкА1.

Если фотодиод не освещен, ток базы транзистора VT1, протекающий через фотодиод, невелик, и транзистор закрыт. Через резистор R5 протекает ток базы, отпирающий транзистор VT2, что приводит к срабатыванию реле K2 и, следовательно, к замыканию замыкающего контакта K2.1. Лампа H3 в этом случае горит.

Чем больше световой поток, падающий на ФД, тем больше фазовый ток VT1 и больше его коллекторный ток. Это приводит к уменьшению базового тока (отпирающего VT2). Наконец, при некотором световом потоке на ФД1 (порог обрабатывания) ток коллектора VT2 будет меньше тока отпускания реле, и реле K2 разомкнет свой замыкающий контакт K2.1. Лампа H3 погаснет.

Если необходимо обеспечить срабатывание реле при ином световом потоке, достаточно изменить положение движка потенциометра R3.

Схема фотореле с ИК-излучателем и релейным усилителем изображена на рис. 4.4. Схема включает в себя эмиттерный повторитель VT3, в базовой цепи которого установлен фотодиод ФД2 (типа ФД–3); релейный усилитель на транзисторах VT4 – VT6, в выходную цепь которого включено реле K3; ИК‑излучатель – светодиод СД (типа АЛ–107). Резистор R6 служит для ограничения тока через светодиод.

Рис. 4.4

Эмиттерный повторитель служит для усиления тока ФД2 от 2 – 15 до 50 – 300 мкА с целью передачи его усилителю с более низким входным сопротивлением, нечувствительным к входным токам менее 50 мкА.

Релейный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока на транзисторах с положительной обратной связью (резисторах R13 и R14), имеющий большой коэффициент усиления (K > 1000). Если на вход такого усилителя VT4 не подан отпирающий сигнал, то VT4 закрыт, VT5 открыт, VT6 закрыт. Но если на диод ФД2 подается световой поток от светодиода СД, то увеличивается базовый ток VT3, что приводит к увеличению отпирающего тока транзистора VT4. VT4 открывается, начинает запираться VT5 и далее открывается VT6. Положительная обратная связь ускоряет, усиливает этот процесс, что приводит к полному закрытию VT5, отпиранию VT6 и срабатыванию реле K3. Замыкающий контакт K3.1 замыкается, и лампа H4 загорается.

При увеличении светового потока ток VT3 увеличивается, но состояние транзисторов VT4 – VT6 не изменяется. И только при значительном уменьшении светового потока реле K3 отключится.

Вместо реле K3 в выходную цепь релейного усилителя может быть включена (с дополнительным усилителем или без) нагрузка – лампа, обмотка электромагнита, двигателя, электромагнитной муфты и т. д. В этом случае фотореле становится бесконтактным. Такие фотореле нашли применение при импульсном измерении частоты вращения валов, измерении количества выпускаемых ленты, ткани, в схемах путевых выключателей и др.

Бесконтактные реле обладают высоким быстродействием и значительным сроком службы.