Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję

Kurs elektroniki II – #11 – czujniki analogowe

Elektronika 26.05.2016 Futrzaczek

KursElektroniki2_11Układy elektroniczne postrzegają otaczający je świat poprzez różnego rodzaju czujniki (sensory). Pomiar temperatury, natężenia światła lub innych wartości rzeczywistych byłby bez nich niemożliwy.

Podczas wykonywania ćwiczeń z tego artykułu wykorzystamy proste czujniki analogowe. Bardzo przydatny okaże się tutaj komparator omówiony już na samym początku tego kursu.

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

» Pokaż/ukryj cały spis treści «

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Tym razem omówimy trzy różne czujniki: fotorezystor, fototranzystor oraz termistor. Pierwsze dwa służą do pomiaru natężenia światła (różnią się zasadą działania), trzeci, to czujnik temperatury.

Czujniki analogowe vs. cyfrowe?

Czujniki analogowe zamieniają mierzoną wielkość (np. temperaturę) na wielkość elektryczną, która jest proporcjonalna do odczytanej wartości. Przykładowo wraz ze wzrostem temperatury na wyjściu czujnika będzie coraz wyższe napięcie lub pojawi się większa rezystancja.

Nieomawiane tutaj czujniki cyfrowe wysyłają informację w postaci ciągu bitów. Do jej odczytania potrzebne są układy cyfrowe, najczęściej mikrokontrolery (np. Arduino).

Termometr analogowy (1) - na wyjściu napięcie (3). Termometr cyfrowy (2) - na wyjściu sygnał binarny (4).

Termometr analogowy (1) na wyjściu napięcie (3). Term. cyfrowy (2) na wyjściu sygnał binarny (4).

W obecnych czasach czujniki cyfrowe zyskują na popularności. Mogą realizować coraz bardziej skomplikowane pomiary, a odczytanie i poprawne zinterpretowanie wyników z takich sensorów bywa łatwiejsze od podobnych układów analogowych.

Dlaczego czujniki analogowe?

Jaki jest więc sens stosowania czujników analogowych? Najważniejszy powód to niska cena, która oscyluje dla wymienionych wcześniej elementów wokół 1 zł. Budując układ z dużą liczbą sensorów (np. światła), koszt pojedynczego czujnika będzie dla nas istotny. Drugim powodem są rozmiary. Gotowy moduł z czujnikiem cyfrowym w porównaniu do sensora analogowego będzie większy.

Same czujniki cyfrowe mogą być z kolei tak małe,
że nie będzie możliwe przylutowanie ich w warunkach domowych.

Trzecia przyczyna, to napięcie zasilania. Czujnikom analogowym wystarczy 1 V (w przypadku fotorezystora i termistora można zejść jeszcze niżej). Górna granica napięcia zasilającego to, na ogół, kilkadziesiąt woltów. Rozpiętość jest więc olbrzymia!

Czujniki cyfrowe muszą być zasilane napięciem ściśle określonym przez producenta. Powoduje to pewne problemy – jeśli nie znajdziemy sensora pracującego przy napięciu zgodnym z resztą układów konieczne jest korzystanie z konwerterów napięcia.

Powyższych argumentów nie należy traktować jako ataku na czujniki cyfrowe. Podejmując decyzję o stosowaniu jakiegokolwiek podzespołu,
należy czynić to jednak świadomie.

Wadą czujników analogowych jest konieczność kalibracji. Dlatego amatorskie zastosowania takich czujników radzę ograniczyć do roli detektorów. Najlepiej, gdy służą jedynie do sprawdzania, czy dany parametr osiągnął odpowiednią wartość lub uległ znacznej zmianie.

Zestaw elementów do przeprowadzenia ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Elementy konieczne do wykonania ćwiczeń zebrane zostały w gotowe zestawy, które można nabyć w Botlandzie. W wygodnym kuferku znajdziecie ponad 160 części elektronicznych!


Kup w Botlandzie »

Korzystanie z czujników analogowych – podłączenie

Fotorezystor oraz termistor charakteryzują się zmianą swojej rezystancji w reakcji na bodziec zewnętrzny (odpowiednio: światło lub temperaturę). Natomiast w fototranzystorze zmienia się płynący przez niego prąd.


Do przetwarzania (np. za pomocą komparatora) najwygodniejsze jest napięcie. W jaki sposób wykorzystać więc przykładowo zmianę rezystancji? Z pomocą przychodzi bardzo prosty układ: dzielnik rezystancyjny. Informacje na jego temat są zawarte w 3 części kursu elektroniki.

W najprostszym wydaniu, konfiguracja czujnika wygląda jak na poniższym schemacie. Znajduje się na nim blok z wejściem opisanym jako ADC IN – jest to wejście analogowe, np. do przetwornika analogowo/cyfrowego z Arduino  lub komparatora.

Najprostszy układ pracy czujnika analogowego.

Najprostszy układ pracy czujnika analogowego.

Zasada działania jest bardzo prosta: kiedy rezystancja czujnika rośnie, to odkładające się na nim napięcie również rośnie i zwiększa się napięcie wyjściowe. Jeżeli zaś rezystancja się zmniejsza, to w ślad za nią zmniejsza się napięcie na wyjściu.

Takie samo zachowanie jest w przypadku zmian płynącego prądu:
im większy prąd płynie, tym mniejsze jest napięcie wyjściowe.

Kondensator służy do filtracji zakłóceń indukowanych w czujniku i połączeniach. Jego stosowanie nie jest obowiązkowe. Wartość 100nF jest przykładowa, można ją dostosować do swoich potrzeb.


Rezystor należy dobrać do konkretnego czujnika. Ogranicza on prąd przez niego płynący, co jest istotne zwłaszcza w przypadku termistorów – przepływ prądu prowadzi do wzrostu temperatury struktury wewnętrznej czujnika. Fałszuje to wskazania temperatury. Dlatego pożądane jest, aby wartość tego rezystora była możliwie wysoka.

Z drugiej strony, im większy opór, tym węższy staje się zakres przetwarzania. Zmiany rezystancji czujnika na tle tego rezystora są tak małe, że przestają być rozpoznawane przez dalszy układ.

Tak, jak w wielu innych wypadkach – potrzebny jest inżynierski kompromis.

Ponadto, układ z rezystorem ma jeszcze jedną wadę. Przypomnij sobie wzór na napięcie wyjściowe dzielnika rezystancyjnego. Gdzie w nim znajduje się rezystor R1, który symbolizuje nasz czujnik? Niestety, jest on zarówno w liczniku, jak i w mianowniku. Oznacza to, że napięcie wyjściowe nie będzie zależało liniowo od rezystancji – a tego chcielibyśmy najbardziej.

Termistor – pierwszy czujnik analogowy

Termistory zamieniają temperaturę na rezystancję między swoimi wyprowadzeniami. Dzieje się to dzięki odpowiedniemu materiałowi, z którego są wykonywane. Termistor K164NK047 z zestawu wygląda tak jak poniżej:

Przykładowy termistor - czujnik temperatury.

Przykładowy termistor – czujnik temperatury.

Termistor, podobnie jak zwykły rezystor, nie ma polaryzacji.
Prąd może płynąć przez niego w dowolną stronę.

Podstawowe parametry termistora, na które należy zwrócić uwagę w pierwszej kolejności, to rezystancja nominalna oraz rodzaj. Ten pierwszy jest podawany w określonej temperaturze, typowo 25°C. Natomiast rodzaj określa kierunek zmian rezystancji:

  • PTC: temperatura i rezystancja zachowują się współbieżnie, tj. kiedy temperatura rośnie, to rezystancja również się zwiększa.
  • NTC: rezystancja i temperatura mają przeciwne kierunki przyrostu, tj. wzrost temperatury oznacza spadek rezystancji.

Termistory służące do celów pomiarowych są, na ogół, typu NTC.
Jest to rozwiązanie dokładniejsze.

Termistor z zestawu jest rodzaju NTC oraz posiada nominalną rezystancję 47kΩ. W temperaturze wyższej od 25°C jego rezystancja będzie niższa, a przy ochłodzeniu – wyższa od nominalnej.

Termistor - termometr w świecie elektroniki.

Termistor – termometr w świecie elektroniki.

Wykorzystanie termistora w praktyce

Oczywiście działanie takiego czujnika można sprawdzić za pomocą miernika uniwersalnego. W tym celu wystarczy mierzyć rezystancję występującą między jego wyprowadzeniami.

My jednak pójdziemy o krok dalej. Korzystając ze zdobytej wcześniej wiedzy zbudujemy czujnik sygnalizujący przekroczenie ustawionej temperatury. Potrzebne elementy:

  • płytka stykowa i przewody połączeniowe,
  • komparator LM311,
  • koszyk 4xAA z bateriami,
  • kondensator 100nF,
  • kondensator 220μF,
  • jeden rezystor 330Ω,
  • dwa rezystory 1kΩ,
  • jeden rezystor 56kΩ,
  • jeden rezystor 1MΩ,
  • potencjometr 5kΩ,
  • dioda świecąca, np. czerwona.
Elementy wykorzystywane w dalszej części.

Elementy wykorzystywane w dalszej części.

Schemat do tego ćwiczenia jest widoczny poniżej. Podobny układ był już realizowany podczas drugiej części tego kursu, więc jego uruchomienie nie powinno sprawić większych problemów.

Schemat detektora przekroczenia temperatury

Schemat detektora przekroczenia temperatury.

Przykładowa realizacja układu widoczna jest na poniższym zdjęciu.

Złożony układ z termistorem.

Złożony układ z termistorem.

Dobrą praktyką jest, aby kondensatory filtrujące zasilanie
były umieszczone blisko nóżek układu scalonego.

Po zbudowaniu układu włącz zasilanie i ustaw pokrętło potencjometru tak, aby dioda była załączona. Następnie przekręć je delikatnie tak, aby zgasła. Ustawisz w ten sposób próg przełączania. Następnie, zacznij ogrzewać termistor, ściskając go palcami. Kiedy jego obudowa zostanie podgrzana, dioda zacznie świecić, a po ostygnięciu zgaśnie.

Dioda włączona po podgrzaniu czujnika (termistora) palcem.

Dioda włączona po podgrzaniu czujnika (termistora) palcem.

W temperaturze około 25°C, na wejściu nieodwracającym komparatora pojawi się napięcie zbliżone do 2,7V, zakładając zasilanie napięciem 6V. Napięcie to spada po ogrzaniu termistora. Kiedy zostanie przekroczony próg przełączenia, komparator przełącza stan swojego wyjścia z wysokiego na niski.

Bez rezystora R5, układ zachowywałby się chaotycznie w okolicy progu przełączania.

Fotorezystory – czujniki natężenia światła

W zestawie znajduje się fotorezystor GL5616, który wygląda w ten sposób:

Na białym podłożu naniesiona jest warstwa światłoczuła, która zmniejsza swoją rezystancję pod wpływem padającego światła. Szare, metaliczne powłoki służą do podłączenia tej warstwy z wyprowadzeniami. Całość jest hermetycznie zalakierowana.

W przypadku fotorezystorów, podstawowe parametry to dwie rezystancje: ciemna i jasna. Każda z nich jest określana przy odpowiednim natężeniu oświetlenia w luksach. Dla nas najistotniejsze są same wartości tych rezystancji, ponieważ mówią o przedziale zmienności. W przypadku GL5616, rezystancja jasna zawiera się w granicach 5-10kΩ, a ciemna to około 800kΩ.

Każdy fotorezystor zmniejsza swoją rezystancję po oświetleniu.
Ponadto, podobnie jak w termistorze, kierunek przepływu prądu jest mu obojętny.

Działanie fototranzystora w praktyce.

Działanie fototranzystora w praktyce.

Aby przetestować działanie fotorezystora, dokonaj drobnych modyfikacji w poprzednim układzie:

  • rezystor R3 wymień na 10kΩ,
  • termistor zastąp fotorezystorem.

Kompletny schemat układu:

Schemat detektora światła na fotorezystorze.

Tak wygląda na płytce stykowej:

Złożony układ z fotorezystorem.

Złożony układ z fotorezystorem.

Oświetl fotorezystor (np. światłem w pokoju) i włącz zasilanie. Ustaw potencjometrem próg przełączenia: najpierw obróć suwak tak, by dioda się wyłączyła, a potem delikatnie przekręć, by się zaświeciła. Po zasłonięciu fotorezystora, dioda powinna się zgasnąć.

Przykład z fotorezystorem - czujnik zasłonięty kartką.

Przykład z fotorezystorem – czujnik zasłonięty kartką.

Tak, jak w poprzednim układzie, tak i tutaj potrzebna jest niewielka histereza. Bez niej, zakłócenia indukujące się w połączeniach w zestawieniu z wzmocnieniem komparatora powodowałyby chaotyczne zachowanie układu.

Fototranzystory – kolejne czujniki natężenia światła

Przydatna będzie teraz wiedza z 7 części kursu elektroniki o tranzystorach!

Fototranzystor, to tranzystor bipolarny posiadający odsłoniętą bazę. Jest ona tak zbudowana, aby padające na nią fotony generowały nośniki – zupełnie tak, jakby pochodziły z zewnętrznego źródła. Dzięki temu między emiterem i kolektorem fototranzystora zaczyna płynąć prąd, po przyłożeniu odpowiedniego napięcia kolektor-emiter.

Niektóre fototranzystory mają wyprowadzony kontakt bazy. Można go zostawić niepodłączonym lub sterować nią elektrycznie i optycznie, niezależnie od siebie.

Fototranazystor L-53P3C z zestawu, wygląda jak dioda świecąca z przezroczystą obudową:

Fototranzystor użyty w kursie.

Fototranzystor użyty w kursie.

Fototranzystory, podobnie jak fotorezystory, określa się w warunkach oświetlenia i zaciemnienia. Prąd ciemny kolektora fototranzystora, który znajduje się w zestawie, to około 100nA (przy napięciu kolektore-emiter 10V). Z kolei, prąd jasny kolektora zawiera się w przedziale 0,7-3mA (przy napięciu 5V).

Podobnie, jak miało to miejsce w przypadku zwykłych tranzystorów bipolarnych, tak i tutaj mamy do czynienia ze wzmocnieniem prądowym (β). Nośniki generowane w bazie wywołują β-krotnie większy prąd kolektora. Parametr ten silnie zależy od temperatury, ponadto, ulega kilkukrotnym rozrzutom produkcyjnym. Dlatego prąd jasny podawany jest w tak dużym przedziale.

Działanie fototranzystora w praktyce, wyprowadzenia: (1) emiter oraz (2) kolektor.

Działanie fototranzystora w praktyce, wyprowadzenia: (1) emiter oraz (2) kolektor.

Kolektor wyprowadzony jest na krótszej nóżce, emiter na dłuższej. Zewnętrznego połączenia bazy nasz fototranzystor nie posiada. Jest zoptymalizowany do odbioru podczerwieni, ale reaguje również na światło widzialne – tyle, że z mniejszą czułością. Sprawdzenie jego działania będzie się ograniczało do zastąpienia nim fotorezystora w poprzednim układzie:

Schemat detektora światła na fototranzystorze.

Schemat detektora światła na fototranzystorze.

Niewiele zmieniło się na płytce stykowej:

Potencjometr należy ponownie ustawić na granicy przełączenia. Zacieniając i oświetlając fototranzystor obserwuj reakcję diody. Czy coś się zmieniło w porównaniu z fotorezystorem?

Układ z fototranzystorem będzie działał najlepiej w świetle słonecznym.
Przy problemach z jego wyregulowaniem można eksperymentować z R3.

W tym układzie fototranzystor został włączony tak samo, jak poprzednie czujniki, pomimo różnicy w działaniu: zamiast rezystancji zmienia się płynący przezeń prąd. Jednak układ będzie działał tak samo: im większy będzie prąd płynący przez kolektor tranzystora, tym większy spadek napięcia na rezystorze R3. To przekłada się na niższy potencjał wejścia nieodwracającego.

Podsumowanie

W tej części kursu sprawdziliśmy, w jaki sposób można używać prostych, analogowych czujników światła i temperatury. Są to elementy bardzo łatwe w użyciu, które umożliwiają elektronice „obserwację” świata zewnętrznego. W kolejnym artykule zajmiemy się tematem źródeł napięcia odniesienia (referencyjnego).

» Pokaż/ukryj cały spis treści «

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Nie chcesz przeoczyć kolejnych części kursu? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych artykułach!

Autor: Michał (futrzaczek) Kurzela
Redakcja, zdjęcia: Damian (Treker) Szymański

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

Shadok

17:10, 29.05.2016

#1

Ciekawy artykuł i przydatne elementy elektroniczne do zastosowania w codziennym użytkowaniu. Nie łapię jednak różnicy w PRAKTYCZNYM zastosowaniu np. fotorezystora a fototranzystora. Można prosić o przybliżenie tego poprzez podanie jakiś praktycznych zastosowań? Z góry dziękuję.

Treker
Administrator

22:54, 29.05.2016

#2

Shadok, jeśli chodzi o praktyczne różnice to ja podam najważniejsze z mojego punktu. Po pierwsze obudowa - fotorezystory, nie mają żadnej soczewki. Ciężej ukierunkować odczytywanie światła z konkretnego punktu. Po drugie w przypadku fototranzystorów zdecydowanie łatwiej o czułość tylko na wybrane zakresy światła (np. na podczerwień). Obie zalety wykorzystywane są przez konstruktorów robotów micromouse, przykład: [Micromouse] Let Me Out. Tam zastosowanie fototranzystorów pozwala na uzyskanie precyzyjnych czujników.

Oczywiście pomijam zupełnie kwestie zasady działania takie czujnika :)

Tom277

8:08, 31.05.2016

#3

Więc może ja podam różnice w zastosowaniu fototranzystora i fotorezystora. Kilka lat temu zrobiłem obrazek podświetlany diodami LED RGB. Diody "w kółko" płynnie zmieniały kolor, ale żeby było efektowniej zrobiłem też automatyczne włączanie podświetlania po zmroku i wyłączanie wraz ze świtem. Problem polegał na tym, że diody oświetlały fotorezystor w roli czujnika światła, co prowadziło do błędnego działania ponieważ mikrokontroler myślał, że jest już jasno więc wyłączał diody. Wtedy dla mikrokontrolera było już za ciemno i włączał diody ponownie. Więc wprowadziłem poprawkę w programie i na czas pomiaru oświetlenia wyłączałem diody LED. Niestety bezwładność fotorezystora była na tyle duża, że czas wyłączenia diod musiał być ok 0.5 sekundy co przejawiało się cyklicznym, zauważalnym miganiem podświetlenia obrazka, trochę to irytuje. Po roku zrobiłem drugi obrazek, nauczony doświadczeniem wiedziałem, że muszę coś zrobić z pomiarem światła. Wybór padł na fototranzystor. Bezwładność fototranzystora jest dużo, dużo mniejsza. Dzięki czemu drugi obrazek dokonuje pomiaru oświetlenia pokoju w ciągu ok 5-10 ms co jest niezauważalne dla człowieka.

Może to co powyżej nie jest super profesjonalnym przykładem różnicy fotorezystora i fototranzystora, ale na pewno praktycznym :-)

Pozdrawiam

Treker
Administrator

12:25, 31.05.2016

#4

Tom277, super - bardzo dobry i praktyczny przykład, dzięki!

Shadok

21:59, 04.06.2016

#5

Treker, Tom277, dziękuję za wyjaśnienia i trafne przykłady.

Rafi212

18:28, 05.02.2017

#6

Dlaczego przy potencjometrze sa rezystory R1 i R2 ?

Treker
Administrator

22:11, 06.02.2017

#7

Rafi212, tak jak było mówione na początku kursu (Kurs elektroniki II – #2 – komparatory napięcia), komparatory charakteryzuje również zakres bezpiecznych napięć wejściowych. Dodatkowe rezystory zapobiegają sytuacji, w której wejście komparatora zostałoby zwarte z szynami zasilania (gnd/vcc). Gwarantują one, że "po każdej stronie" dzielnika będzie zawsze minimum 10kΩ.

Zobacz powyższe komentarze na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.