دوشنبه , ۳۰ اردیبهشت ۱۳۹۸
آخرین مطالب
LINK TABLES

فتوسل

سلام دوستان. امیدوارم ایام به کامتون باشه. امروز در ادامه پروژه های بخش آزمایشگاه الکترونیک ، پروژه ی فتوسل رو براتون آماده کردیم. فتوسل یه کنترل کننده نوری هستش که با توجه به نور می تونه در خروجی کلیدی رو وصل یا قطع کنه و می تونیم ازش تو کنترل روشن یا خاموش کردن لامپ استفاده کنیم. این پروژه میتونه خیلی مفید باشه برای فهم بهتر مطالب گذشته و کاربرد خوبی تو محیط های باز داره تا به صورت خودکار لامپ ها رو کنترل کنه. امیدوارم از این پروژه لذت ببرید. 🙂

  • توضیحات
  • آزمایش عملی

معرفی پروژه فتوسل

هدف

تشریح مدار فتوسل و عملکرد آن و نحوه ساخت آن

تشریح پروژه

فتوسل مداری است برای کنترل روشنایی در یک محیط به طوری که هنگامی نور روز نباشد ، فتوسل فعال و لامپ را روشن می کند و در صورت وجود نور فتوسل خاموش است و چراغ را خاموش می کند و به این ترتیب مدار هوشمندی داریم که با تشخیص نور ، نور محیط را کنترل می کند. این عمل باعث صرفه جویی در مصرف برق شده و برای استفاده در معابر و محیط های عمومی بسیار مناسب است و باعث می شود کنترل انسانی کنار رود و هزینه ی کمتری مصرف گردد. در تصویر زیر مدار طراحی شده این پروژه را مشاهده می کنید:

فتوسل

برای مشاهده قطعات استفاده شده در این پروژه روی دکمه ی زیر کلیک کنید:

قطعات مورد استفاده

قطعات مورد استفاده

component-w

مدار فتوسل

در این قسمت می خواهیم مدار فتوسل و عملکرد آن را تشریح دهیم.

فتوسل برای این که بتواند به طور هوشمند عمل کند و با توجه به نور ، لامپ را کنترل نماید باید با استفاده از المانی این کار را انجام دهدو این المان LDR می باشد. LDR مقاومتی است که مقدار آن وابسته به نور است و با توجه به تغییرات دما مقدار مقاومتش تغییر می کند.

هر چه قدر نور تابیده شده روی فتوسل بیشتر شود ، مقدار مقاومت آن کمتر می شود.

برای داشتن اطلاعات بیشتر در مورد LDR پست زیر را ببینید:

LDR چیست؟

اساس کار فتوسل مقایسه است. با استفاده از این مقایسه فتوسل تشخیص می دهد که باید لامپ را خاموش نگه دارد و یا آن را روشن کند. برای همین ما از IC 741 برای عمل مقایسه استفاده می کنیم. یکی از کاربرد های OpAmp ها مقایسه کردن بود که از این ویژگی در مدارمان استفاده   می کنیم.

اگر مایل بودید پست OpAmp را مطالعه کنید تا در مورد کاربرد های OpAmp اطلاعاتی بدست آورید.

در شکل زیر بلوک دیاگرام مدار فتوسل را مشاهده می کنید :

۱

در این مدار ابتدا باید بتوانیم با مداری ولتاژ برق شهر را به ولتاژ DC تبدیل کنیم و سپس به مدار اعمال کنیم. در ادامه باید توسط مدار مقایسه کننده ای مقدار ولتاژ گرفته شده از بلوک سنسور که در آن LDR وجود دارد را با مقدار مرجع مقایسه کنیم و نتیجه آن به بلوک عملگر یا رله می رود و در نهایت می توانیم در خروجی ولتاژ برق شهر را داشته باشیم یا نداشته باشیم.

در این قسمت مدار فتوسل را مشاهده می کنید. برای مشاهده تصویر در اندازه اصلی روی آن کلیک کنید:

در این قسمت می خواهیم مدار فتوسل را تحلیل کنیم :

۱- بخش تغذیه Power Supply

مدار بخش تغذیه به صورت زیر است :

این مدار تغذیه بسیار مناسب برای مداراتی می باشد که باید حجمشان کوچک باشد و توان خیلی کمی را مصرف می کنند و به جای استفاده از ترانسفورماتور برای کاهش ولتاژ برق شهر از خازن استفاده کرده ایم و چون خازن توان مصرفی ندارد و توانش راکتیو است تلفات و هزینه اضافی ندارد و برای کاهش ولتاژ مناسب است.

در این جا با استفاده از خازن ولتاژ برق شهر را کاهش داده ایم و دیود های زنر به عنوان محدود کننده به کار رفته اند و نقش محافظ دارند. دلیل به کار رفتنشان هم این است که چون مدار فتوسل در دوحالت ( رله وصل باشد یا نباشد ) کار می کند ؛ در حالتی که رله قطع است و تقریبا بار نداریم ولتاژی دوسر خازن افت نمی کند و ممکن است کل ولتاژ روی پل دیود افت کند و باعث آسیب دیدن مدار گردد اما اگر مدار محدود کننده باشد باعث می شود که ولتاژ اعمالی به پل دیود از حدی بیشتر نشود.

پل دیود نقش یکسو سازی و خازن C2 خازن صافی بوده و ولتاژ DC را ایجاد می کند. همچنین خازن C3 برای حذف نویز به کار می رود.

حال به سراغ محاسبات مدار می رویم :

برای محاسبه ظرفیت خازن باید حالتی را در نظر بگیریم که رله وصل می باشد. در این حالت جریانی که رله مصرف می کند حدود ۱۰۰ میلی آمپر است. باید به ولتاژ کار رله هم توجه کرد و ما از رله ۱۲V استفاده کرده ایم. پس نتیجه می گیریم که ولتاژ DC در این حالت  ۱۲v DC باشد.

با توجه به این که ولتاژ خروجی مدار تغذیه باید ۱۲v باشد می توانیم مقدار موثر ولتاژ اعمالی به پل دیود را بدست آوریم:

۴

در واقع نتیجه می گیریم که اگر به مدار پل دیود و خازن صافی ۸v ac بدهیم در خروجی ۱۲v DC دریافت خواهیم کرد.

در این حالت که رله وصل است دیود های زنر که نقش محدود کننده دارند خاموش هستند.

حال باتوجه به این که جریان خروجی مدار تغذیه حداکثر ۱۰۰mA میلی آمپر است می توانیم جریان موثر اعمالی به مدار تغذیه یا پل دیود را بدست آوریم:

۵

حال نتیجه می گیریم که جریانی که از خازن می گذرد حدود ۷۰mA موثر است و ولتاژ دوسر خازن را می توانیم بدست آوریم:

۶

حال می توانیم مقدار Xc خازن را بدست آوریم :

۷

سپس می توانیم مقدار ظرفیت خازن را تعیین کنیم:

۸

در نتیجه باید از خازن ۱uF  ۶۰۰v استفاده کنیم.

مقدار خازن صافی را حدود ۶۸۰uF درنظر می گیریم تا در خروجی ولتاژ DC را با ریپل کم داشته باشیم.

۲- بخش کنترل

در این قسمت می خواهیم قسمت اصلی مدار فتوسل ، بخش کنترل را تحلیل کنیم که مدار آن در بخش زیر است:

مدار این بخش را که در بالا مشاهده می کنید از یک مقایسه کننده تشکیل شده است که وظیفه دارد تشخیص بدهد که لامپ روش باشد یا خیر. برای این منظور ما از LDR استفاده کرده ایم که با تغییر نور محیط مقاومتش تغییر می کند و باعث می شود که ولتاژ و جریان در مدار تغییر کند و ما این تغییر را به صورت ولتاژ و یا جریان داشته باشیم.

ابتدا از یک شاخه تقسیم مقاومتی استفاده کرده ایم که مقدار ولتاژ مرجع ما را بوجود می آورد و در آن طرف نیز شاخه ای وجود دارد که یک مقاومت با LDR سری شده و اگر نور محیط تغییر کند ولتاژ دو سر LDR تغییر می کند.

حال اگر این دو ولتاژ شاخه اول و شاخه دوم را باهم مقایسه کنیم می توانیم تشخیص دهیم که نور محیط کم می باشد و یا زیاد می باشد.

اگر نور محیط زیاد باشد مقاومت LDR کم شده و باعث می شود ولتاژ دوسر آن کاهش یابد و از مقدار ولتاژ مرجع کمتر شود. حال با توجه به اتصالات پایه های OpAmp در این شرایط خروجی OpAmp مقدار صفر می باشد.

اگر نور محیط کم باشد مقاومت LDR زیاد شده و باعث می شود ولتاژ دوسر آن افزایش یابد و از مقدار ولتاژ مرجع بیشتر شود. حال با توجه به اتصالات پایه های OpAmp در این شرایط خروجی OpAmp مقدار +VCC می باشد.

نکته : با توجه به توضیحات داده شده اصول کار این بخش مدار را فهمیدید اما برای طراحی باید بدانیم که بازه تغییرات این ولتاژ چه قدر باشد تا فتوسل در چه شرایطی روشن و در چه شرایطی خاموش باشد که در این شرایط شما باید مقدار مقاومت LDR را در حالتی که می خواهید مرز بین روشنی و خاموشی فتوسل باشد را اندازه بگیرید و در طراحی از آن استفاده کنید یعنی باید شرایط نور محیط را در حالتی که می خواهید فتوسل روشن شود ایجاد کنید و سپس در آن حالت مقدار مقاومت LDR را اندازه بگیرید.

اما در بخش بعدی ما از یک مدار تاخیر دهنده استفاده کرده ایم تا سرعت واکنش فتوسل به تغییرات را کاهش دهد. علت آن هم این است که فتوسل فقط در شرایطی که نور روز وجود دارد و یا از بین می رود عمل کند. اگر جسمی از قسمت سنسور فتوسل حرکت کند و یا پرنده ای از روی آن عبور کند ، در صورت نبودن مدار تاخیر دهنده فتوسل به سرعت واکنش نشان می دهد که این مطلوب نیست و بنابراین ما از یک شبکه ی RC برای ایجاد تاخیر استفاده کرده ایم.

حال به سراغ طراحی مدار می رویم:

همواره به این نکته توجه کنید که در طراحی چندین عامل می توانند متغیر باشند ، ولی شما همواره باید بعضی عوامل را ثابت در نظر بگیرید تا بتوانید عنصر دیگر را اندازه بگیرید.

ابتدا مقدار مقاومت LDR را در شرایط حداکثر نوری که می خواهیم فتوسل روشن شود اندازه گیری می کنیم:

مقدار مقاومت آن را ۱۴kΩ بدست آورده ایم.

حال به سراغ ادامه طراحی می رویم:

برای تعیین مقدار مقاومت R2 و R6 ما دو مقاومت را به یک اندازه و به دلخواه مقدار ۱۰KΩ د رنظر گرفته ایم. ( توجه شود که روش خاصی برا ی تعیین این مقدار وجود ندارد چون همانطور که گفتیم در این طراحی چندین عامل متغیر است که ما باید یک مقدار را به دلخواه تعیین کرده و سپس عامل دیگر را با توجه به این مقدار به طور دقیق محاسبه کنیم)

در نتیجه ولتاژ ورودی منفی OpAmp برابر است با :

۱۰

حال با توجه به این که مقدار مقاومت LDR را در شرایط مرزی اندازه گیری کرده ایم و این که در شرایط مرزی باید مقدار ولتاژ V+ و V- OpAmp برابر    می توانیم مقدار مقاومت R1 را طراحی کنیم:

۱۱

در ادامه به سراغ طراحی مدار تاخیر دهنده می رویم:

این شبکه ولتاژ LDR را با تاخیر به پایه مثبت OpAmp می رساند تا عواملی که باعث ایجاد خطا در فتوسل می شوند را از بین ببریم.

مقدار تاخیر مورد نظر برای ما ۱ دقیقه می باشد. البته با استفاده از مقاومت تریمر می توانیم مقدار این تاخیر را بین ۵۰ تا ۷۰ ثانیه تغییر دهیم.

می دانیم رابطه شارژ خازن در مدار RC برای تغذیه DC به صورت زیر است :

۱۲

که در این رابطه :

Vs مقدار ولتاژ منبع ورودی به این شبکه

V0 مقدار ولتاژ اولیه خازن یا ولتاژ آن در لحظه t=0

τ  ثابت زمانی این شبکه که برابر RC است

اگر در این رابطه بخواهیم مقدار t را بدست آوریم رابطه به صورت زیر است :

۱۳

مقدار مقاومت LDR در نور معمولی روز حدودا برابر ۲KΩ می باشد. یعنی مقدار پارامتری ولتاژ دو سر LDR برابر است با Vcc(2/17). همچنین این که در این شبکه زمانی که ولتاژ خازن در حال افزایش است ، وقتی ولتاژ آن به مقدار ولتاژ پایه منفی OpAmp برسد مدار تغییر حالت می دهد. با توجه به این مورد می توانیم مقدار زمان RC را بدست آوریم:

۱۴

ما مقدار RC را بدست آوردیم. می توانیم مقدار C را به دلخواه تعیین کنیم و سپس به تعیین مقدار R بپردازیم:

۱۵

در حالت شارژ خازن مقاومت های سری با خازن مقاومت های R1,R4,R3 می باشند. با توجه به این که مقدار مقاومت R1 برابر ۱۵kΩ است و مقدار مقاومت تریمر ۲۰۰kΩ است می توانیم مقدار مقاومت R3 را بدست آوریم :

۱۶

به این ترتیب مدار کنترل این فتوسل طراحی شد.

۴- بخش قدرت

مدار این بخش را در شکل زیر مشاهده می کنید:

در این بخش خروجی OpAmp از طریق یک دیود به ترانزیستور متصل شده است. ترانزیستور نقش تقویت جریان را دارد تا بتواند جریان لازم رله را تعیین کند. دیود D4 نیز برای خنثی سازی ولتاژ آفست OpAmp به کار رفته است. دیود D5 به عنوان دیود محافظ به کار رفته است تا ولتاژ القایی رله را در هنگام قطع رله خنثی کند.

در این قسمت از مدار بررسی شده آزمایشی رو تهیه کرده ایم و مدار رو به صورت عملی بسته ایم تا بیشتر با نحوه کارش آشنا بشید.

در بخش زیر فیلم تهیه شده از آزمایش مدار رو مشاهده می کنید:

:

 

در زیر نقشه PCB مدار فتوسل را مشاهده می کنید:

۱۸

۱۹

خب این پروژه هم تموم شد و امیدوارم ازش خوشتون بیاد. این پروژه می تونه برای کنترل نور و روشنایی در معابر عمومی و در محیط های باز مثل حیاط خانه ها و … کاربرد داشته باشه و بدون کنترل دستی نور رو کنترل کنه. امیدوارم از این پروژه لذت بده باشید و براتون مفید بوده باشه. فراموش نکنید که با لینک شبکه های اجتماعی که زیر پست می بینید ما رو به دوستاتون هم معرفی کنید. 🙂

درباره ی Mahdiyar

۴ دیدگاه

  1. سلام
    عکس های متن پاک شده

  2. سلام مطلب بسیار جالبی بود ولی حیف که تصاویرش پاک شده اگه ممکنه دوباره تصاویر و شماتیک مدار رو بذارید ممنون

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *