Структура оптоелектронного датчика диму

Главная » Каталог статей » Статьи на украинском » Оптичні прилади » Структура оптоелектронного датчика диму

Вибір структурної організації пристрою та аналіз можливої реалізації структурних блоків

В даній роботі розроблений детектор диму, який працює в ІЧ області спектру. Він складається з оптоелектронного датчика, тригера Шмітта та двох генераторів.

clip_image002

Рисунок 1­-Структурна схема детектора диму.

оптоелектронний датчик диму складається із світлодіода VD1 і фотодіода VD2, які працюють в інфрачервоній області спектра (рис.2).

clip_image004

Рисунок 2-Оптоелектронний датчик

Випромінювання від світлодіода проходить через зазор між трубками і освітлює фотодіод VD2. Фотодіод відкривається, і на його катоді виникає позитивна напруга. Отже, струм, що тече через фотодіод буде максимальним у тому випадку, коли між світлодіодом і фотодіодом прозоре середовище.

Якщо з яких-небудь причин прозорість повітря погіршується (поява диму, пил), то зменшується освітленість фотодіода VD2. Струм через фотодіод зменшується, і напруга на його катоді теж зменшується.

Іншим важливим структурним блоком даного приладу є тригер Шмідта

(рис. 3).

clip_image006

Рисунок 3-Тригер Шмітта

дуже часто буває потрібно встановити, який з двох сигналів більше, або визначити, коли сигнал досягне заданого значення. Наприклад, при генерації трикутних коливань через конденсатор пропускають позитивний або негативний струм, полярність струму змінюють в той момент, коли амплітуда досягає заданого пікового значення.Іншим прикладом служить цифровий вольтметр. Для того щоб перетворити напругу в код, на один з входів компаратора подають невідому напругу, а на іншій — лінійно-наростаючу напругу (конденсатор + джерело струму). Цифровий лічильник підраховує періоди генератора, поки лінійно-наростаюча напруга меньша,

ніж невідома; у момент рівності амплітуд відбувається зчитування

результату, одержаного на лічильнику. Результат пропорційний вхідній напрузі. Таке перетворення називають інтеграцією з одним кутом нахилу; у складніших приладах використовують інтеграцію з двома кутами нахилу.

Простим компаратором є диференціальний підсилювач з великим коефіцієнтом посилення, побудований на основі транзисторів або операційних підсилювачів. Залежно від знаку різниці вхідних напруг операційний підсилювач виявляється в позитивному або негативному насиченні. Коефіцієнт посилення по напрузі звичайно перевищує 100000 тому, для того, щоб вихід підсилювача не насищався, напруга на входах повинна бути рівно часткам міллівольта. Проста схема компаратора мєєт два недоліки. При вхідному сигналі, що поволі змінюється, напруга на виході також може змінюватися достатньо повільно. Більш того, якщо у вхідному сигналі присутній шум, то на виході може відбуватися брязкіт в ті моменти, коли напруга на вході проходить через точку перемикання.

Коли фотодіод відкривається, на його катоді виникає позитивна напруга, яка поступає на інвертуючий вхід операційного підсилювача DA1. На другий вхід підсилювача з виводу змінного резистора R2 поступає опорна напруга. Цим резистором встановлюють чутливість. За відсутності в повітрі диму або пилу напруга на катоді фотодіода перевищує напругу, що знімається з змінного резистора R2, тому на виході операційного підсилювача DA1 напруга близька до нуля. При цьому світлодіод VD1 не світиться. Якщо з яких-небудь причин прозорість повітря погіршується (поява диму, пил), то зменшується освітленість фотодіода. Струм через фотодіод зменшується, і напруга на його катоді теж зменшується і стає менше напруги на R2. Напруга на виході операційного підсилювача DA1 стає близькою до напруги живлення. Світлодіод VD1 починає світитись, цим самим сигналізуючи про появу диму чи пилу в приміщенні.

Іншим необхідним блоком структурної схеми приладу є генератори.

Варіант простого генератора (мультивібратора) показаний на (рис. 4).

clip_image008

Рисунок 4-Мультивібратор

Схема має два динамічні стани. У першому з них, коли на виході D1.1 стан логічної "1" (вихід D1.2 логічний "0"), конденсатор С1 заряджається. В процесі заряду напруга на вході інвертування D1.1 зростає, і досягши значення Uпор=0,5Uпит відбувається стрибкоподібний перехід в другий динамічний стан, в якому на виходах D1.1 логічний "0", D1.2 — "1". У цьому стані відбувається перезаряд ємностісті (розряд) струмом зворотного напряму. Досягши напруги на С1 Unop відбувається повернення схеми в перший динамічний стан. Діаграма напруг (рис. 5) пояснює роботу.

clip_image010

Рисунок 5-Діаграма напруг

Резистор R2 є обмежувальним, і його опір не повинен бути менше 1 кОм, а щоб він не впливав на розрахункову частоту, номінал резистора R1 вибираємо значно більше R2 (R2<0,01R1). Обмежувальний резистор (R2) іноді встановлюють послідовно з конденсатором. При використовуванні неполярного конденсатора С1 тривалість імпульсів (tи) і пауза (tо) будуть

майже однаковими: tи=to=0,7R1C1. Повний період T=1,4R1C1. Резистор R1 і конденсатор С1 можуть знаходитися в діапазоні 20 к0м…10 МОм; 300 пф…100 мкФ.

Ще одна схема автогенератора наведена на (рис. 6). В основі цієї

схеми лежить RS-тригер, в якому безпосередні зв’язки замінені зв’язками

через диференціювальні кола (конденсатор та резистор).

clip_image012

Рисунок 6-Мультивібратор на логічних елементах

У цій схемі елементи DD1.1 і DD1.2 перемикаються почергово.

Процеси формування імпульсів почнемо розглядати з моменту, коли на

виході елемента DD1.1 напруга перемкнулася з низького рівня на високий,

а на виході елемента DD1.2 — з високого рівня на низький. Конденсатор С2

почне заряджатися через вихідне коло елемента DD1,1 і резистор R2. На

резисторі R2 струм зарядження конденсатора утворює падіння напруги, яке

перевищує порогову напругу. У результаті на виході елемента DD1.2

підтримується напруга низького логічного рівня. Конденсатор СІ, який

зарядився у попередній момент часу (плюс — на нижній обкладинці, мінус –

на верхній , тепер розряджається через вихідне коло елемента DD1.2 і відкритий діод D1. На вході елемента DD1.1 підтримується невелика негативна напруга, яка дорівнює напрузі на відкритому діоді. З зарядженням конденсатора С2 напруга на вході елемента DD1.2 зменшується. Коли вона

стане меншою за порогову, у схемі починається регенеративний процес перемикання, який завершується стрибкоподібною зміною напруги на виході елемента DD1.2 до рівня логічної одиниці, а на виході елемента DD1.1 - до рівня логічного нуля. Конденсатор СІ починає заряджатися від вихідної напруги високого рівня, що діє на виході елемента DD1.2, через його вихідне коло та резистор R1. Позитивне падіння напруги на резисторі R1, яке з’явилося при зарядженні конденсатора С1, перевищує порогову напругу і підтримує елемент DD1,1 у стані, якому відповідає вихідна напруга низького логічного рівня. Конденсатор С2 тепер розряджається через вихід елемента DD1.1 і діод D2. Коли у результаті зарядження конденсатора СІ напруга на резисторі R1 зменшиться до рівня порогової напруги, у схемі знову розвивається лавиноподібний процес перемикання елементів DD1.1 та DD1.2 і процеси в схемі повторюються. Доцільно буде обрати перший генератор тому, що він задовольняє всім вимогам схеми та є більш простим. Апаратурні затрати на його створення менші, в ньому використовується всього один конденсатор, а в другій схемі два конденсатори. Генератор необхідний для того, щоб формувати імпульси з певною частотою. Використаєм два таких генератора тільки з конденсаторами різної ємності. Перший генератор буде низькочастотним. На його виході будуть з’являтися імпульси з частотою 4Гц, які періодично дозволяють роботу другого генератора звукової частоти, що генерує сигнал на частоті 1000 Гц. До виходу можна під’єднати динамік, який буде відтворювати сигнал тривоги.

Оставьте комментарий к статье