Преобразователь выходного сигнала пиродатчика

Недавно принесли в ремонт выключатель на основе пироэлектрического датчика движения, (рис. 1). Лампа постоянно горела и не выключалась. Решение – заменить пробитый симистор. После замены лампа перестала гореть, но и включаться не хотела. Стало понятно, что схема управления также вышла из строя. На плате выключателя установлена микросхема U2100B.
Найденный в интернете даташит показал, что микросхема U2100B –  это таймер для сетевых (~220В) нагрузок, под управлением которого могут работать реле (см. рис. 2) и симистор (см. рис. 3).  На рис. 4 показана структура микросхемы-таймера. Видно, что внутри микросхемы сформировано триггерное окно (Trigger window), образованное двумя компараторами напряжения, инверсный и неинверсный входы которых объединены (вывод 6).

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5. Пиродатчик в корпусе. общий вид

На вторые входы компараторов поданы опорные напряжения 0,5VRef=0,5x5V=2,5V и 0,6VRef=0,6x5V=3,0V. Таким образом, напряжение окна равно 3,0V-2,5V=0,5V. С вывода 8 (VRef) снимается напряжение 5V и сглаживается конденсатором С2. Это напряжение используется для питания схемы пироэлектрического датчика. На вывод 6 подаётся выходной сигнал от схемы датчика. 

 
Схема самого датчика расположена отдельно от платы выключателя в корпусе, имеющем линзу Френеля и установленном на передней панели выключателя. Предусмотрено небольшое изменение положения датчика по горизонтали путём его поворота. Внешний вид датчика в корпусе показан на рис. 5, а вид на плату с элементами - на рис. 6. От платки датчика отходят три жёлтых провода: плюс питания, минус питания и сигнальный.

Плата крепится к корпусу с помощью одного винтика как показано на рис. 7.

После подключения схемы датчика к отдельному источнику питания +5В, датчик оказался в рабочем состоянии. Теперь осталось посмотреть, что происходит на выходе схемы датчика. На рис. 8 показана эпюра выходного напряжения, снятая осциллографом. В исходном состоянии, когда в зоне датчика нет перемещения инфракрасного излучения, т.е. живого объекта (именно перемещения – пироэлектрические датчики реагируют на изменение тепловой обстановки только в динамическом режиме!), на выходе присутствует некий средний уровень напряжения +2,1В. Этот участок на графике обозначен как 0 – t1. При медленном приближении руки к датчику, выходное напряжение стало плавно уменьшаться (участок t1 – t2). Когда движение было остановлено, выходное напряжение вернулось к исходному уровню +2,1В.

При быстром приближении руки выходное напряжение резко снизилось до нулевого уровня (участок t3 – t4), а затем, вновь вернулось к исходному уровню +2,1В. Такая же картинка наблюдалась при удалении руки от датчика, только выходное напряжение теперь увеличивалось. Для плавного движения показан участок t5 – t6, а для быстрого – участок t7 - t8.

Для отслеживания уровня выходного напряжения датчика как вверх, так и вниз и предназначено триггерное окно в микросхеме U2100B.

Выходное напряжение схемы датчика, как указывалось выше, в режиме покоя равно +2,1В и, казалось бы, не входит в напряжение окна, ограниченное сверху 3,0 вольтами, а снизу 2,5 вольтами. Но это напряжение (+2,1В) замерено относительно минусового провода питания. В схеме выключателя общим является плюсовой провод, поэтому относительно плюса напряжение на выходе схемы датчика будет равно (по модулю) 5V-2,1V=2,9V, которое как раз и укладывается в указанные рамки окна.  Для использования датчика в радиолюбительских цифровых конструкциях его выходное напряжение необходимо преобразовать, т.е. привести к дискретному виду.

Если отслеживать изменение уровня только вверх или только вниз, что легко реализовать без всяких ухищрений, то чувствительность датчика будет снижена в два раза. Можно воспользоваться схемой дискриминатора, построенного на операционных усилителях или компараторах. А если нужно сверхмалое потребление тока, тогда придётся реализовать схему на специализированных микромощных радиоэлементах. Но можно построить схему преобразователя сигнала на обычных транзисторах, которые в закромах радиолюбителя всегда есть. На рис. 9 показана такая схема. Это не что иное, как измерительный мост. В исходном состоянии потенциалы баз и эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 равны, значит, эти транзисторы закрыты и, следовательно, мост уравновешен. Транзистор VT3 закрыт положительным смещением с резистора R3, а транзистор VT4 закрыт отрицательным смещением с резистора R4. С резистора R9 снимается практически напряжение питания (уровень лог.1).

При снижении выходного напряжения датчика транзистор VT2 открывается, подавая положительный потенциал с R5 на базу VT4, который также открывается. С выхода преобразователя снимается напряжение с низким уровнем (лог.0). При увеличении выходного напряжения датчика открывается транзистор VT1. На базу VT3 с резистора R7 поступает низкий уровень напряжения. Транзистор VT3 открывается и через R8 на базу VT4 поступает положительный потенциал. Транзистор VT4 открывается и с его коллектора опять снимается низкий уровень. Таким образом, схема отслеживает изменения выходного напряжения датчика - как вверх, так и вниз. Зона нечувствительности составляет порядка 1,2 вольт (0,6 + 0,6 вольт) и обусловлена падением напряжения на переходах Б-Э транзисторов VT1 и VT2. Чтобы её скомпенсировать установлен подстроечный резистор R6. При увеличении его сопротивления, потенциалы эмиттеров VT1 и VT2 начинают принимать противоположные знаки, следовательно, чувствительность преобразователя увеличивается. Если необходимо, чтобы в исходном состоянии на выходе преобразователя было низкое напряжение (уровень лог.0), то в выходном каскаде изменяют включение транзисторов VT3 и VT4, как показано на рис. 10. 

 Рис. 8.

Рис. 9

Рис. 10

 Замеренный ток потребления датчиком при питании напряжением 5В равен 1-ому миллиамперу. Малое потребление тока датчиком и схемой преобразователя позволяет их использовать в конструкциях с бестрансформаторным питанием. Например, устройство, рассмотренное в теме «Микросхема К145АП2 для пиродатчика», где использовался пироэлектрический датчик от сигнализационной системы, не может заменить стенной выключатель в квартире из-за включения схемы параллельно лампе накаливания. С данным преобразователем и датчиком появляется возможность замены. Эксперимент показан на рис. 11.

    Рис. 11. Эксперименты на макетной плате

Пример схемы включения рассмотренного преобразователя совместно с микросхемой К145АП2 приведён на рис. 12. В схему добавлен стабилизатор DA2, формирующий питание датчика и преобразователя. Транзистор VT5 инвертирует сигнал и согласует логические  уровни напряжений на выходе преобразователя и на входе схемы – формирователя управляющих сигналов DD1. Так как теперь вся схема включена параллельно симистору, она может заменить собой покупные пироэлектрические выключатели. В отличие от покупных выключателей, в которых лампа включается и выключается обычным образом, в варианте на микросхеме К145АП2 включение и выключение лампы плавное. Балластный конденсатор С8, возможно, придётся подобрать по минимальному току потребления устройством, при котором не будет нарушаться рабочий режим. В заключении можно отметить, что малое потребление мощности датчиком и преобразователем даёт возможность применять их в других радиолюбительских конструкциях, где требуется экономичный режим работы. Преобразователь также может применяться в конструкциях, в которых необходимо преобразовать переменный сигнал инфранизкой частоты в импульсный для дальнейшей обработки цифровыми схемами…

 Рис. 12. принцип для К145АП2 (Увеличить...)
 

Автор syntetic