Устройство пироэлектрического датчика
Любые разогретые объекты, включая человеческое тело, являются источниками ИК-излучения. Данное свойство используется в пассивных датчиках движения для систем охраны помещений. Эти датчики способны реагировать на малейшие изменения теплового излучения, вызываемые перемещением предметов в охраняемом помещении. Название таким приборам – пироэлектрические датчики (PIR), которые состоят из инфракрасного приемника теплового излучения и предварительного усилителя на основе полевого транзистора.
ИК-приемник – это специальный фотоэлемент, который вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный уровню попадающего на него теплового излучения. Для снижения уровня помех перед ним обычно устанавливается светофильтр, пропускающий излучение только в диапазоне длин волн 5...14 мкм, наиболее характерном для излучения человеческого тела.
PIR-датчики, построенные на базе простого одиночного инфракрасного приемника, не обеспечивают защиты от ложных срабатываний. Они могут реагировать на изменение внешней температуры, тепловые потоки от батарей отопления или солнечную засветку.
Для обеспечения защиты от ложных срабатываний, в более сложных датчиках ИК-приемник выполняется в виде двух одинаковых приемников, включенных навстречу друг другу. При таком включении напряжения, генерируемые в фотоприемниках от внешней засветки и изменения температуры корпуса датчика, вычитаются и практически полностью компенсируются.
Построенные таким образом датчики реагируют только на изменения ИК-излучения и, таким образом, являются датчиками движущихся объектов.
Не стоит думать, что такой датчик реагирует на перемещение только нагретых объектов. Так как в помещении всегда присутствует неравномерный тепловой фон, то перемещение даже не нагретого объекта приводит к изменению теплового фона и срабатыванию датчика движения.
Примером такого датчика является PIR-датчик IRA-E710. Его схематическое устройство показано ниже.
К недостаткам таких датчиков можно отнести то, что они хорошо реагируют на перемещение теплового объекта поперек, с одной площадки фотоприемника на другую, но если объект перемещается вдоль площадок фотоприемника, то датчики на это могут не реагировать. Для устранения такого недостатка выпускают датчики, состоящие из 4-х площадок.
Первоначально датчики движения, построенные на базе PIR-приемников, использовались в системах охраны помещений. Однако, по мере развития электроники и снижения стоимости комплектующих, такие датчики начали применять в устройствах домашней и промышленной автоматики, например для включения освещения, открывания дверей и в составе систем видеонаблюдения или управления какой-либо другой нагрузкой.
Так устройства, включающие освещение перед подъездом или в темном коридоре по сигналу датчика движения, позволяют сэкономить значительное количество электроэнергии и значительно увеличить интервал между заменой ламп освещения.
Об устройстве автоматического включения нагрузки на базе пассивного ИК-датчика движения, который обеспечивает включение, например освещения, на заданный интервал времени при появлении в зоне его обнаружения движущегося объекта, рассказано в этой статье.
Время, на которое включается нагрузка, может регулироваться в широких пределах. В состав устройства входит также датчик внешней освещенности, что позволяет настроить его таким образом, что при использовании его как дополнительного освещения, работает только при недостатке естественного света.
Схема электрическая
Технические характеристики:
Напряжение питания, В – 230;
Максимальная мощность нагрузки, Вт – 500;
Время включенного состояния (регулируемое) – 5 с...5 мин;
Дальность срабатывания, м – 3...5.
ИК-излучение принимается PIR-приемником PIR1. Так как такой приемник реагирует только на изменение уровня излучения между площадками приемника, то перед ним устанавливается модуляционная решетка, состоящая из узких горизонтальных прозрачных и непрозрачных полосок.
Тепловой объект, перемещаясь поперек них, оказывается поочередно закрыт/открыт для фотоприемника. Это вызывает появление на выходе фотоприемника переменного напряжения, которое является признаком движущегося объекта.
Подбирая ширину модулирующих полосок, можно добиться максимальной чувствительности прибора для объектов заданного размера, а изменяя размер окна модуляционной решетки, можно оптимально сформировать зону обслуживания прибора.
Питание на встроенный усилитель PIR-приемника подается через сглаживающий фильтр R3С1. Выходной сигнал снимается с вывода 2. Резистор R1 является внешней нагрузкой встроенного полевого транзистора.
Далее сигнал поступает на усилитель с коэффициентом усиления примерно 150, собранный на ОУ DA1.1 (LM324). При отсутствии движения в зоне действия датчика напряжение на выходе DA1.1 будет неизменным, а при появлении движущихся объектов на выходе появляется переменная составляющая.
Эта переменная составляющая через конденсатор С4 поступает на второй каскад усиления ОУ DA1.4. Этот каскад имеет усиление около 100. Далее сигнал подается на компаратор, собранный на DA1.3. Порог срабатывания задается резистивным делителем R11R9R6.
В исходном состоянии напряжение на выходе компаратора близко к 0, и конденсатор C8 разряжен. Если переменная составляющая сигнала от датчика движения превышает порог срабатывания компаратора, то на его выходе появляется сигнал высокого уровня, который быстро заряжает времязадающий конденсатор C8.
Диод VD2 не дает разрядиться C8 через низкое выходное сопротивление компаратора. Разряд конденсатора происходит через последовательно соединенные резисторы R14R15. При помощи подстроечного резистора R15 время разряда можно изменять от 5 с до 5 мин. С8 подключен к неинвертирующему входу второго компаратора, собранного на DA1.2. Его порог срабатывания задается резистивным делителем R16R12.
Сигнал с выхода DA1.2 поступает на усилитель VT2 и далее на управляющий вывод симистора, который подает напряжение на нагрузку. Время включенного состояния нагрузки определяется суммой продолжительности действия сигнала с датчика движения и постоянной времени разряда цепи С8R14R15.
Кроме ИК-датчика движения в устройстве присутствует фотоприемник видимого света – фотодиод типа ФД263 (его можно не использовать, если нет необходимости зависимости включения нагрузки от внешнего освещения).
На фотодиод, включенный в обратном направлении, через резисторы R18R19 подается напряжение питания. Напряжение с образовавшегося делителя поступает на базу транзистора VT1. Пока внешняя освещенность мала, напряжение на базе транзистора высокое, и он не оказывает никакого влияния на работу схемы.
При достижении порогового уровня освещенности напряжение на базе транзистора падает, падает напряжение на его эмиттере, и через диод VD8 он блокирует прохождение сигнала с датчика движения. Внешняя освещенность, при которой происходит блокировка включения по датчику движения, регулируется подстроечным резистором R19.
Питание схема получает от бестрансформаторного блока питания, состоящего из выпрямителя на R23, R21, С11, VD6, VD7, С9 и двухступенчатого стабилизатора на VD3, VD1.
Конструкция
Схема может быть собрана на печатной плате, чертёж которой показан ниже.
В корпусе изделия должно быть отверстие диаметром 10 мм для фотодиода и прямоугольное отверстие размером 12 мм для ИК-приемника.
Далее необходимо изготовить модуляционную решетку фотоприемника. Для этого из черной бумаги или пленки вырезают полоски шириной 1,3...1,6 мм и наклеивают их с внутренней стороны корпуса поперек прямоугольного отверстия напротив фотоприемника. Должна образоваться решетка: 1,5 мм темная полоска, 1,5 мм прозрачный участок. Не допускается закрытие окна «прозрачными» материалами – стеклом, пластиком, пленкой, в ИК-области они непрозрачны.