Kurs elektroniki II – #5 – czujniki analogowe

Kurs elektroniki II – #5 – czujniki analogowe

Układy elektroniczne odbierają bodźce ze świata zewnętrznego poprzez różnego rodzaju czujniki (sensory). Pomiar temperatury, natężenia światła lub innych wartości byłby bez nich niemożliwy.

Podczas wykonywania ćwiczeń z tej części kursu wykorzystamy proste czujniki analogowe; bardzo ważny okaże się tutaj również komparator.

Tym razem omówimy trzy różne czujniki: fotorezystor, fototranzystor oraz termistor. Pierwsze dwa służą do pomiaru natężenia światła (różnią się zasadą działania), a trzeci to czujnik temperatury. Elementy tego typu są niezwykle przydatne i spotyka się je w wielu projektach – również takich, które bazują np. na Arduino lub innych, bardziej rozbudowanych platformach.

Czujniki analogowe vs. cyfrowe?

Upraszczając trochę temat, możemy powiedzieć, że występują dwa rodzaje sensorów (dowolnego typu): analogowe i cyfrowe. Możemy mieć więc czujnik temperatury, który jest analogowy, lub taki, który jest cyfrowy. Oba elementy będą mogły zmierzyć temperaturę, ale sposób, w jaki ją odczytamy, będzie wyglądał zupełnie inaczej.

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

Z kolei czujniki cyfrowe wysyłają informację w postaci ciągu bitów (zer i jedynek). Do jej odczytania potrzebne są układy cyfrowe, najczęściej mikrokontrolery, więc w tym kursie nie możemy się nimi zająć. Na tego typu czujniki natrafisz, gdy zdecydujesz się np. na naukę z naszego kursu Arduino.

Czujnik analogowy vs. cyfrowy – różne metody odczytywania danych

Czujnik analogowy vs. cyfrowy – różne metody odczytywania danych

Czujniki cyfrowe zyskują na popularności, ponieważ mogą realizować coraz bardziej skomplikowane pomiary, a odczytanie i poprawne zinterpretowanie wyników z takich sensorów bywa bardzo łatwe.

Dlaczego czujniki analogowe?

Najważniejszy powód to niska cena, która w przypadku sensorów analogowych oscyluje w okolicy 2 zł. Jeśli budujemy układ z dużą liczbą czujników (np. światła), koszt pojedynczego sensora będzie dla nas istotny. Drugim powodem są niewielkie rozmiary. Gotowy moduł z czujnikiem cyfrowym w porównaniu z sensorem analogowym będzie przeważnie sporo większy i droższy.

Trzecia przyczyna to szeroki zakres napięcia, jakim możemy zasilać taki układ. Czujnikom analogowym wystarczy 1 V (w przypadku fotorezystora i termistora można zejść nawet 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 (np. 5 V). Powoduje to pewne problemy – jeśli nie znajdziemy sensora pracującego przy napięciu zgodnym z resztą układów, to konieczne jest korzystanie z tzw. konwertera poziomów logicznych.

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

Jak podłączyć czujnik analogowy?

Fotorezystor oraz termistor charakteryzują się zmianą swojego oporu w reakcji na bodziec zewnętrzny (odpowiednio: światło lub temperaturę). Natomiast w fototranzystorze zmienia się płynący przez niego prąd. Obie te wartości możemy łatwo zmierzyć miernikiem. Jednak nikt nie będzie stał i ręcznie mierzył oporu termistora, aby sprawdzić, czy zmieniła się temperatura otoczenia.

Aby wygodnie i „automatycznie” przetwarzać informacje z czujników, przydałoby się, aby zmiana ich odczytów wpływała na zmianę napięcia (a nie oporu) – bo z tym układy elektroniczne poradzą sobie same. W jaki sposób wykorzystać więc przykładowo zmianę rezystancji fotorezystora i termistora? Tutaj z pomocą przychodzi bardzo prosty układ – dzielnik napięcia, który omawialiśmy w poprzednim kursie elektroniki, a konkretnie w części na temat prawa Ohma i Kirchhoffa.

W najprostszym wydaniu konfiguracja czujnika wygląda jak na poniższym schemacie. Jeśli podłączymy w taki sposób czujnik, to zmiana jego oporu wpłynie na wartość odczytaną przez woltomierz. Zasada działania tego układu 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.

Przykładowy schemat podłączenia czujnika analogowego

Przykładowy schemat podłączenia czujnika analogowego

Na przykładowym schemacie pojawił się woltomierz, ale to tylko symboliczny zapis „jakiegoś” układu, który potrafi mierzyć napięcie. Bardzo często taki układ podłącza się np. do tzw. wejścia analogowego w Arduino. My jednak zajmujemy się podstawami elektroniki, więc musimy zmierzyć napięcie inną metodą. Tutaj świetnie sprawdzi się komparator napięcia, który omówiliśmy w poprzedniej części.

Jaki rezystor przy czujniku analogowym?

Rezystor należy dobrać do konkretnego czujnika. Opornik ogranicza prąd płynący przez czujnik, co jest istotne zwłaszcza w przypadku termistorów – przepływ prądu prowadzi do wzrostu temperatury struktury wewnętrznej czujnika. Takie wewnętrzne podgrzewanie fałszuje wskazania sensora. Dlatego pożądane jest, aby wartość tego rezystora była możliwie wysoka.

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

Ponadto układ z rezystorem ma jeszcze jedną wadę. Przypomnij sobie wzór na napięcie wyjściowe dzielnika napięcia. 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.

Gotowe zestawy do kursów Forbota

 Komplet elementów  Gwarancja pomocy  Wysyłka w 24h

Chcesz zrozumieć elektronikę? Zamów zestaw elementów do wykonania wszystkich ćwiczeń z kursu i przejdź do praktyki!

Zamów w Botland.com.pl »

Termistor – analogowy czujnik temperatury

Termistory zamieniają temperaturę na rezystancję (między swoimi wyprowadzeniami). Dzieje się to dzięki odpowiedniemu materiałowi, z którego są one wykonywane. Element ten może przypominać mały, czarny kondensator z długimi nóżkami, ale to tylko pozory!

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 (podawana w określonej temperaturze, typowo 25°C) oraz jego typ/rodzaj.

Rodzaj termistora określa kierunek zmian rezystancji:

  • PTC (ang. positive temperature coefficient) – temperatura i rezystancja zachowują się współbieżnie, tj. kiedy temperatura rośnie, rezystancja również się zwiększa.
  • NTC (ang. negative temperature coefficient) – rezystancja i temperatura mają przeciwne kierunki przyrostu, tj. wzrost temperatury oznacza spadek rezystancji.

Termistor dołączony do naszego zestawu to właśnie czujnik typu NTC o nominalnej rezystancji równej 47 kΩ. Zatem w temperaturze wyższej od 25°C jego rezystancja będzie proporcjonalnie niższa od 47 kΩ, a przy ochłodzeniu będzie wyższa od 47 kΩ.

Wykorzystanie termistora w praktyce

Oczywiście działanie takiego czujnika można sprawdzić za pomocą miernika uniwersalnego. W tym celu wystarczy mierzyć rezystancję występującą między jego wyprowadzeniami. Jeśli chcesz, to zrób taki eksperyment samodzielnie – dotknij sondami miernika nóżek termistora i zmierz jego rezystancję. Następnie podgrzej w dłoniach końcówkę termistora i dokonaj ponownego pomiaru.

My jednak pójdziemy od razu krok dalej i zajmiemy się bardziej rozbudowanym układem. Korzystając ze zdobytej wcześniej wiedzy, zbudujemy czujnik sygnalizujący przekroczenie ustawionej temperatury. Brzmi skomplikowanie? To tylko pozory!

Do wykonania tego ćwiczenia potrzebne są:

  • 1 × komparator LM311,
  • 1 × termistor,
  • 1 × kondensator 100 nF,
  • 1 × kondensator 220 μF,
  • 1 × rezystor 330 Ω,
  • 2 × rezystor 1 kΩ,
  • 1 × rezystor 56 kΩ,
  • 1 × rezystor 1 MΩ,
  • 1 × potencjometr 5 kΩ,
  • 1 × dioda świecąca (wybierz ulubiony kolor),
  • 4 × bateria AA,
  • 1 × koszyk na 4 baterie AA,
  • 1 × płytka stykowa,
  • komplet przewodów połączeniowych.

Wszystkie te elementy musimy połączyć zgodnie z poniższym schematem, który powinien wyglądać już znajomo. Jest to praktycznie ten sam układ, który składaliśmy w jednej z poprzednich części kursu, poświęconej komparatorom analogowym. Główna różnica to pojawienie się termistora.

Schemat prostego termostatu zbudowanego z komparatora i termistora

Schemat prostego termostatu zbudowanego z komparatora i termistora

Taki układ porównuje oczywiście dwa napięcia (jak to komparator), najważniejsze jest jednak to, jakie napięcia będą porównywane. Do wejścia odwracającego podłączamy potencjometr, dzięki któremu możemy łatwo regulować napięcie docierające do tego wejścia. Z kolei do wejścia nieodwracającego podłączamy dzielnik napięcia zbudowany z termistora oraz rezystora R3.

Tutaj do gry wchodzi komparator, który będzie porównywał dwa napięcia – dzięki temu dioda, która jest na wyjściu komparatora, będzie się świeciła, gdy temperatura otoczenia wzrośnie. Zmieniając ustawienie potencjometru P1, będziemy mogli regulować „temperaturę”, której przekroczenie przełączy diodę świecącą. Za pomocą potencjometru ustawimy więc próg przełączenia.

Z kolei w praktyce całość może się prezentować tak jak na poniższym zdjęciu. Warto od razu odgiąć delikatnie termistor, aby wystawał nieznacznie poza obrys płytki.

Gotowy termostat na bazie komparatora i termistora

Gotowy termostat na bazie komparatora i termistora

Jak przetestować układ?

Po zbudowaniu układu włączamy zasilanie i ustawiamy pokrętło potencjometru tak, aby dioda była włączona. Później przekręcamy potencjometr delikatnie w taki sposób, aby dioda zgasła. W ten sposób ustawiliśmy tzw. próg przełączania. Teraz możemy ogrzać termistor (np. ściskając go palcami). Kiedy jego obudowa zostanie podgrzana, dioda zacznie świecić, a po ostygnięciu zgaśnie.

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

Fotorezystory – analogowe czujniki światła

Fotorezystory to analogowe czujniki światła, których rezystancja zmienia się wraz ze zmianą natężenia światła widzialnego. Na jasnym podłożu naniesiona jest warstwa światłoczuła, która zmniejsza swoją rezystancję pod wpływem padającego światła. Szare, metaliczne powłoki służą do podłączenia tej warstwy z wyprowadzeniami, a całość jest hermetycznie zalakierowana. Tak jak w przypadku termistora (oraz zwykłego rezystora), prąd przez ten element może płynąć w obu kierunkach.

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

Przetestowanie tego czujnika jest bardzo proste. Musimy tylko dokonać dwóch drobnych modyfikacji w poprzednim układzie (nie warto go nawet rozmontowywać). Wystarczy, że:

  • rezystor R3 wymienimy na taki o oporze równym 10 kΩ,
  • termistor zastąpimy fotorezystorem.

Dla formalności przedstawiamy, jak wygląda schemat tej wersji układu:

Schemat detektora światła na bazie komparatora napięcia i fotorezystora

Schemat detektora światła na bazie komparatora napięcia i fotorezystora

Gotowy układ może wyglądać następująco:

W ramach testu oświetlamy fotorezystor (np. światłem w pokoju lub dodatkową lampką) i włączamy zasilanie. Następnie za pomocą potencjometru ustawiamy próg przełączenia: najpierw obracamy suwak tak, aby LED się wyłączył, a potem delikatnie przekręcamy, aby się zaświecił. Po zakryciu fotorezystora dioda powinna zgasnąć. W tym przypadku (z fotorezystorem) można jednak łatwo odwrócić działanie tego układu. Wystarczy zamienić miejscami 2 elementy – zastanów się nad tym samodzielnie.

Tak jak w poprzednim układzie, tak i tu potrzebna jest mała histereza (rezystor R5). Bez niej zakłócenia indukujące się w połączeniach w zestawieniu ze wzmocnieniem komparatora powodowałyby chaotyczne zachowanie układu.

Fototranzystory – inne czujniki światła?

Fototranzystor to znany nam tranzystor bipolarny, który ma dosłownie odsłoniętą bazę. Jest ona zbudowana tak, aby padające na nią fotony generowały nośniki prądu – tak jakby pochodziły z zewnętrznego źródła. Dzięki temu, po przyłożeniu odpowiedniego napięcia kolektor-emiter, między emiterem i kolektorem fototranzystora zaczyna płynąć prąd. Światło wpada do środka takiego tranzystora, ponieważ element ten producenci zamykają w obudowach z soczewką – z wyglądu przypomina więc on diodę świecącą.

Przykładowy fototranzystor z zestawu wygląda jak dioda świecąca z przezroczystą obudową. Niektóre fototranzystory mają jednak dodatkowo wyprowadzoną bazę. Można ją zostawić niepodłączoną lub sterować nią elektrycznie i optycznie (niezależnie od siebie).

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

Podobnie jak 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 w dużym stopniu zależy od temperatury, ponadto ulega kilkukrotnym rozrzutom produkcyjnym. Dlatego prąd jasny podawany jest w tak dużym przedziale.

Symboliczny opis działania fototranzystora

Symboliczny opis działania fototranzystora

W dużym uproszczeniu taki fototranzystor można nawet traktować jako fotorezystor z wbudowanym wzmacniaczem. Między innymi dlatego będzie on bardziej czuły – może być to widoczne przy słabym natężeniu światła. Fotorezystor niemal nie zarejestruje zmiany, a fototranzystor dodatkowo wzmocni ją, co umożliwi zaobserwowanie większej reakcji na wyjściu czujnika.

Kolektor fototranzystora wyprowadzony jest na krótszej nóżce, a emiter na dłuższej. Zewnętrznego połączenia z bazą ten element akurat nie posiada. Co ważne, element w zestawie jest zoptymalizowany do odbioru podczerwieni (IR), ale reaguje również na światło widzialne – tyle że z mniejszą czułością. Sprawdzenie jego działania będzie się ograniczało do zastąpienia nim fotorezystora w poprzednim układzie testowym.

Schemat automatycznej lampki na bazie fototranzystora

Schemat automatycznej lampki na bazie fototranzystora

Dla formalności – tak wygląda układ na płytce stykowej:

Potencjometr należy ponownie ustawić na granicy przełączenia. Zacieniając i oświetlając fototranzystor, obserwujemy reakcję diody. Układ z fototranzystorem będzie działał najlepiej w świetle słonecznym. Przy problemach z jego wyregulowaniem można też eksperymentować z rezystorem R3.

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

Pora na quiz - sprawdź, co już wiesz!

Przygotowaliśmy aż 4 quizy, dzięki którym sprawdzisz jak dużo zapamiętałeś z tego kursu elektroniki. Masz już za sobą 5 pierwszych odcinków, więc śmiało możesz zabrać się za pierwszy quiz, który składa się z 15 pytań testowych (jednokrotnego wyboru), limit czasu to 15 minut. Liczy się pierwszy wynik, ale quiz będziesz mógł później wykonać wielokrotnie (w ramach treningu).

Przejdź do quizu nr 1 z 4 »

Bez stresu! postaraj się odpowiedzieć na pytania zgodnie z tym co wiesz, w przypadku ewentualnych problemów skorzystaj ze swoich notatek. To nie są wyścigi - ten quiz ma pomóc w utrwaleniu zdobytej już wiedzy i wyłapaniu ewentualnych tematów, które warto jeszcze powtórzyć. Powodzenia!

Quiz - najnowsze wyniki

Oto wyniki 10 osób, które niedawno wzięły udział w quizie. Teraz pora na Ciebie! Uwaga: wpisy w tej tabeli mogą pojawiać się z opóźnieniem, pełne wyniki są dostępne „na żywo” na stronie tego quizu.

# Użytkownik Data Wynik
1StefanekP11.04.2021, 08:3593%, w 167 sek.
2Bart3k9007.04.2021, 08:3193%, w 231 sek.
3bastq06.04.2021, 21:2686%, w 131 sek.
4zooltar11.04.2021, 13:1386%, w 188 sek.
578910.04.2021, 16:0886%, w 192 sek.
6Bertsed11.04.2021, 12:0480%, w 144 sek.
7Mand280608.04.2021, 18:2780%, w 165 sek.
8Kuma11.04.2021, 18:2280%, w 172 sek.
9adik93r10.04.2021, 17:3480%, w 251 sek.
10Ciszakss07.04.2021, 17:0973%, w 240 sek.

Podsumowanie

W tej części kursu elektroniki sprawdziliśmy, w jaki sposób można wykorzystywać w praktyce proste czujniki analogowe. Co ważne, nareszcie udało się nam również znaleźć sensowne zastosowanie dla komparatora analogowego – jak widać, jest to bardzo użyteczny układ. Zanim przejdziesz dalej, oceń ten artykuł za pomocą gwiazdek i koniecznie daj nam znać w komentarzach, czy udało Ci się wykonać wszystkie ćwiczenia – zdjęcia układów mile widziane!

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 203

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

W kolejnym odcinku kursu zajmiemy się PWM, czyli tzw. modulacją szerokością impulsów. Może to brzmieć zawile, ale to tylko pozory. Zrobimy krótki wstęp teoretyczny i przejdziemy szybko do praktyki.

Nawigacja kursu


Autorzy kursu: Damian Szymański, Michał Kurzela, ilustracje: Piotr Adamczyk. Zakaz kopiowania treści kursów oraz grafik bez zgody FORBOT.pl. Data ostatniego sprawdzenia tego wpisu: 17.03.2021.

czujniki, fotorezystor, fototranzystor, kursElektroniki2, potencjometr, termistor

Trwa ładowanie komentarzy...