Διακόπτης λυκόφωτος

twilight_switch_board
4 5 1 Product


Η ηλεκτρονική κατασκευή που παρουσιάζουμε εδώ είναι ένας διακόπτης λυκόφωτος (φωτοδιακόπτης). Χρησιμοποιεί μία φωτοαντίσταση, μία  πηγή σταθερού ρεύματος και ένα συγκριτή με υστέρηση (Schmitt trigger) και ενεργοποιεί έναν ηλεκτρονόμο στο σκοτάδι. Η φωτοαντίσταση χρησιμοποιείται ως αισθητήρας φωτός και το κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αυτόματη ενεργοποίηση και απενεργοποίηση λαμπτήρων για το φωτισμό του κήπου, λαμπτήρων βιτρίνας καταστήματος, δημόσιο φωτισμό σε κάποιο δρόμο και οτιδήποτε άλλο. Δεδομένου ότι χρησιμοποιούμε έναν ηλεκτρονόμο που περιέχει μεταγωγό (διπλό διακόπτη), το κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και αντίστροφα, δηλαδή για την ενεργοποίηση ενός φορτίου με το φως (διακόπτης χαραυγής) αντί του σκότους. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι αρκετοί έχουν χρησιμοποιήσει το κύκλωμα ως ξυπνητήρι που ενεργοποιείται την αυγή.  

Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του διακόπτη λυκόφωτος
Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του διακόπτη λυκόφωτος

Ο τελεστικός ενισχυτής IC1-A και το τρανζίστορ TR1 δημιουργούν μία πηγή σταθερού ρεύματος για την πόλωση της φωτοαντίστασης LDR1. Η πηγή σταθερού ρεύματος δουλεύει ως παρακάτω:

Οι αντιστάσεις R1 και R2 δουλεύουν ως διαιρέτης τάσης και πολώνουν τον ακροδέκτη 5 (μη αναστροφική είσοδος του τελεστικού) με μία τάση Vin που είναι ίση με περίπου 9.8V.

Vin=[Vcc*R2/(R1+R2)]=12*10000/(10000+2200)=9.836V

Δεδομένου ότι ο τελεστικός IC1-A δουλεύει στη γραμμική περιοχή (ως διαφορικός ενισχυτής με πολύ μεγάλη απολαβή), η διαφορά δυναμικού μεταξύ των εισόδων του (ακροδέκτες 5 και 6) είναι περίπου ίση με μηδέν. Επομένως, η τάση Vin που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη 5, εμφανίζεται περίπου ίση και στον ακροδέκτη 6, δηλαδή και στο κάτω άκρο της R3. Ως εκ τούτου, η R3 πολώνεται με σταθερή διαφορά δυναμικού (έχει σταθερή τάση στα άκρα της) που είναι ίση με Vcc- Vin. Βάσει του νόμου του OHM, το ρεύμα που ρέει εντός της R3 είναι σταθερό και ίσο με (Vcc- Vin)/R3=(12-9.836)/1000=2.1mA. Το ίδιο σταθερό ρεύμα διαρρέει και τον παράλληλο συνδυασμό R6//LDR1 που βρίσκεται σε σειρά με την R3. Ο παράλληλος συνδυασμός R6//LDR1 αντιστοιχεί με συνολική αντίσταση Rολ=LDR1*R4/(LDR1+R4).

  • Στο απόλυτο σκοτάδι, η φωτοαντίσταση παρουσιάζει πολύ μεγάλη αντίσταση (περίπου 1MΩ) και η Rολ είναι  4.6-4.7KΩ.
  • Σε λιγοστό φωτισμό, η φωτοαντίσταση παρουσιάζει αντίσταση γύρω στα 50K. Επομένως, τότε η Rολ γίνεται περίπου ίση με 4.3K.
  • Σε έντονο φωτισμό, η φωτοαντίσταση παρουσιάζει αντίσταση γύρω στα 100Ω, οπότε τότε η Rολ γίνεται κι αυτή περίπου ίση με 100Ω.

Από το νόμο του OHM γνωρίζουμε ότι τάση = ρεύμα x αντίσταση, οπότε θέτοντας τα 2mA της πηγής σταθερού ρεύματος και την Rολ στην σχέση αυτή, βρίσκουμε ότι η τάση στον ακροδέκτη 2 του IC1-B είναι περίπου :

  • 9.8V σκοτάδι
  • 9V σε λιγοστό φωτισμό και
  • 0.2V σε έντονο φωτισμό

Προκειμένου να φτιάξουμε ένα διακόπτη που ενεργοποιείται με το φως ή το σκοτάδι, φτιάχνουμε έναν συγκριτή που ανιχνεύει τις παραπάνω τάσεις. Ο συγκριτής δομείται γύρω από το IC1-B. Προκειμένου να μην έχουμε προβλήματα από αναπήδηση, δεν φτιάχνουμε έναν απλό συγκριτή αλλά έναν συγκριτή με υστέρηση (Schmitt trigger).

Η μεταβαλλόμενη τάση ελέγχου που δημιουργείται στα άκρα της φωτοαντίστασης, εφαρμόζεται στην μία είσοδο του συγκριτή και συγκεκριμένα στην αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού IC1-B. Η τάση αυτή συγκρίνεται με μία τάση αναφοράς που εφαρμόζουμε στην άλλη είσοδο του τελεστικού (μη αναστρέφουσα), στον ακροδέκτη 3. 

Το τυπωμένο κύκλωμα του διακόπτη λυκόφωτος
Το τυπωμένο κύκλωμα του διακόπτη λυκόφωτος (η πλευρά του χαλκού)

Οι τιμές των R5 και R7 έχουν επιλεγεί με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε όταν ο δρομέας του ποτενσιομέτρου R6 βρίσκεται στην ακραία του θέση προς το μέρος της R5, η τάση αναφοράς είναι ίση περίπου με 10.2V. Στην αντίθετη ακραία θέση (προς το μέρος της R7), η τάση αναφοράς γίνεται ίση περίπου με 0.45V.

Προκειμένου τώρα να φτιάξουμε μία μικρή περιοχή υστέρησης για το Schmitt Trigger, χρησιμοποιούμε τις R9 και R8 και προσθέτουμε στην τάση αναφοράς λίγη αρνητική ανάδραση από την έξοδο. Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφέρουμε ότι η έξοδος του IC1-B λάμβάνει μόνο δύο τιμές (διότι το IC1-B  δουλεύει ως συγκριτής). Οι δύο αυτές τιμές είναι περίπου 0 και 11V για τον αρνητικό και τον θετικό κόρο, αντίστοιχα.  

Η υστέρηση είναι απαραίτητη, προκειμένου να μην έχουμε αναπήδηση. Η αναπήδηση είναι ουσιαστικά μία ανεπιθύμητη ταλάντωση που μπορεί να συμβεί σε απλούς συγκριτές όταν η τάση αναφοράς και η τάση ελέγχου είναι οριακά ίσες. Σ' έναν συγκριτή με υστέρηση, η αναπήδηση αποφεύγεται αποτελεσματικά διότι μόλις ο συγκριτής μεταβεί για πρώτη φορά από την μία κατάσταση στην άλλη, η υστέρηση μετατοπίζει ελαφρώς την τάση αναφοράς προς την κατεύθυνση που «δυσκολεύει» ελαφρώς μία νέα διέγερση προς την αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι, ο συγκριτής χρειάζεται μία νέα τάση ελέγχου που είναι ελαφρώς διαφορετική από αυτή με την οποία διεγέρθηκε, προκειμένου να μεταβεί προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ουσιαστικά, με άλλη στάθμη μεταβαίνει ο συγκριτής σε on και με άλλη στάθμη σε off (ενώ ένας απλός συγκριτής έχει μόνο μία στάθμη σύγκρισης). Η διαφορά ανάμεσα στις δύο στάθμες σύγκρισης ορίζει τη λεγόμενη περιοχή υστέρησης.

Προφανώς θα έχετε καταλάβει ότι η ευαισθησία του φωτοδιακόπτη ρυθμίζεται από το ποτενσιόμετρο R6. Σε μία στάθμη λυκόφωτος που ορίζεται από τον χρήστη μέσω της R6, η έξοδος του IC1-B μεταβαίνει σε αρνητικό κόρο και ενεργοποιεί τον ηλεκτρονόμο μέσω του τρανζίστορ TR2 που είναι τύπου PNP. Επομένως, ο ηλεκτρονόμος ενεργοποιείται όταν  σκοτεινιάζει. Έτσι, για παράδειγμα, μπορούμε να ενεργοποιήσουμε τον φωτισμό του κήπου μας, μόλις ο φωτισμός του περιβάλλοντος προσεγγίσει τη στάθμη λυκόφωτος που έχουμε ορίσει από την R6, αν συνδέσουμε τα φώτα του κήπου στη θέση LP1. Αντίθετα, αν θέλουμε να ενεργοποιήσουμε ένα φορτίο όταν ξημερώνει και όχι με το σκοτάδι, μπορούμε να συνδέσουμε αυτό το φορτίο στην έξοδο LP2. Τα φορτία που θέλουμε να ενεργοποιούνται όταν σκοτεινιάζει θα πρέπει να συνδέονται στην έξοδο LP1 και αυτά που θέλουμε να ενεργοποιούνται όταν ξημερώνει (όταν αυξάνεται ο φωτισμός) θα πρέπει να τα συνδέσουμε στην έξοδο LP2. O ηλεκτρονόμος στην πραγματικότητα ενεργοποιείται μόνο στο σκοτάδι, αλλά μπορούμε να ελέγχουμε φορτία τόσο όταν σκοτεινιάζει όσο και όταν ξημερώνει διότι ο ηλεκτρονόμος που χρησιμοποιούμε διαθέτει έναν μεταγωγό και όχι μόνο έναν απλό διακόπτη, όπως άλλωστε μπορείτε να δείτε και στο σχηματικό.

Μπορείτε πολύ εύκολα να κατασκευάσετε το κύκλωμα του διακόπτη λυκόφωτος σε μία πλακέτα δοκιμών (breadboard) ή στο τυπωμένο κύκλωμα που παρέχουμε παραπάνω. Μπορείτε να συναρμολογήσετε εύκολα όλα τα εξαρτήματα του κυκλώματος πάνω στο τυπωμένο, ακολουθώντας τον οδηγό συναρμολόγησης που σας παρέχουμε εδώ: 

Assembly guide for the Twilight switch board
Οδηγός συναρμολόγησης του διακόπτη λυκόφωτος