Давайте разберем, как можно собрать схему для включения светодиодов при попадании света на фотодиод, используя микросхему.
Для этой задачи отлично подойдет компаратор. Компаратор — это микросхема, которая сравнивает два входных напряжения и выдает на выходе логический сигнал (высокий или низкий) в зависимости от того, какое из напряжений больше.
Принцип работы
1.
Фотодиод: При попадании света на фотодиод, его сопротивление уменьшается, и через него начинает течь ток. Это приводит к изменению напряжения на нем или на резисторе, включенном последовательно с ним.
2.
Компаратор: Мы подадим напряжение с фотодиода (или делителя напряжения с фотодиодом) на один вход компаратора. На другой вход компаратора подадим опорное (эталонное) напряжение.
3.
Сравнение: Когда напряжение с фотодиода превысит опорное напряжение (что произойдет при достаточном освещении), компаратор изменит состояние своего выхода.
4.
Светодиод: Выход компаратора будет управлять светодиодом (через токоограничивающий резистор).
Выбор микросхемы компаратора
Один из самых распространенных и простых в использовании компараторов — это
LM393 (двойной компаратор) или
LM339 (четверной компаратор). Они недорогие, работают от одного источника питания и имеют открытый коллектор на выходе, что удобно для управления нагрузкой.
Схема подключения (пример с LM393)
Давайте нарисуем упрощенную схему.
+Vcc (например, 5В)
|
|
R1 (токоограничивающий резистор для фотодиода, 10кОм - 100кОм)
|
|-----> Вход (+) компаратора (вывод 3 LM393)
|
Фотодиод (анод к R1, катод к земле)
|
|
GND (земля)
+Vcc
|
|
R2 (резистор для делителя опорного напряжения, 10кОм)
|
|-----> Вход (-) компаратора (вывод 2 LM393)
|
Потенциометр (10кОм - 100кОм)
|
|
GND
+Vcc
|
|
R3 (подтягивающий резистор для выхода компаратора, 1кОм - 10кОм)
|
|-----> Выход компаратора (вывод 7 LM393)
|
R4 (токоограничивающий резистор для светодиода, 220 Ом - 1кОм)
|
Светодиод (анод к R4, катод к земле)
|
|
GND
Пояснения к схеме:
1.
Питание компаратора:
* Вывод 8 (Vcc) LM393 подключается к плюсу питания (+Vcc).
* Вывод 4 (GND) LM393 подключается к земле (GND).
2.
Вход с фотодиода (неинвертирующий вход компаратора, вывод 3 LM393):
* Резистор R1 (например, 10 кОм) подключается одним концом к +Vcc, другим концом к аноду фотодиода.
* Катод фотодиода подключается к земле (GND).
* Точка соединения R1 и анода фотодиода подключается к неинвертирующему входу компаратора (вывод 3).
* Когда света нет, сопротивление фотодиода велико, и напряжение на входе компаратора будет близко к +Vcc.
* Когда свет попадает на фотодиод, его сопротивление уменьшается, и напряжение на входе компаратора падает.
3.
Опорное напряжение (инвертирующий вход компаратора, вывод 2 LM393):
* Для установки порога срабатывания используется делитель напряжения, состоящий из резистора R2 и потенциометра.
* Один конец R2 подключается к +Vcc.
* Другой конец R2 подключается к одному из крайних выводов потенциометра.
* Другой крайний вывод потенциометра подключается к земле (GND).
* Средний вывод потенциометра подключается к инвертирующему входу компаратора (вывод 2).
* Вращая потенциометр, можно регулировать опорное напряжение, тем самым устанавливая чувствительность схемы к свету.
4.
Выход компаратора (вывод 7 LM393):
* LM393 имеет выход с открытым коллектором. Это значит, что для получения логического "высокого" уровня на выходе, нужен подтягивающий резистор R3 (например, 1 кОм), подключенный между выходом компаратора и +Vcc.
* Когда напряжение на неинвертирующем входе (с фотодиода) становится ниже опорного напряжения, выход компаратора переходит в низкое состояние (подключается к земле).
* Когда напряжение на неинвертирующем входе становится выше опорного напряжения, выход компаратора "отпускается" (становится высокоимпедансным), и благодаря подтягивающему резистору R3 на нем появляется высокий уровень (+Vcc).
5.
Управление светодиодом:
* Светодиод подключается через токоограничивающий резистор R4 (например, 220 Ом).
* Анод светодиода подключается к R4, а катод к земле.
* R4 подключается к выходу компаратора (вывод 7).
* В этой конфигурации, когда выход компаратора становится низким (при отсутствии света), светодиод не горит. Когда выход компаратора становится высоким (при наличии света), светодиод загорается.
* Если нужно, чтобы светодиод загорался при отсутствии света, а гас при наличии, можно поменять местами входы компаратора (фотодиод на инвертирующий, опорное на неинвертирующий) или изменить подключение светодиода.
Настройка
После сборки схемы, подайте питание. Вращая потенциометр, вы сможете настроить порог срабатывания. Например, если вы хотите, чтобы светодиод загорался при ярком свете, настройте потенциометр так, чтобы при слабом освещении светодиод не горел, а при попадании яркого света — загорался.
Формулы (если нужны для расчета резисторов)
1.
Токоограничивающий резистор для светодиода (R4):
\[ R_4 = \frac{V_{CC} - V_{LED}}{I_{LED}} \]
Где:
* \(V_{CC}\) — напряжение питания (например, 5 В).
* \(V_{LED}\) — прямое падение напряжения на светодиоде (обычно 1.8-2.2 В для красных, 3-3.4 В для синих/белых).
* \(I_{LED}\) — желаемый ток через светодиод (обычно 10-20 мА).
2.
Делитель напряжения для опорного напряжения:
Напряжение на среднем выводе потенциометра (V_ref) будет меняться от 0 до \(V_{CC}\).
Если использовать два фиксированных резистора \(R_{top}\) и \(R_{bottom}\) вместо потенциометра, то:
\[ V_{ref} = V_{CC} \cdot \frac{R_{bottom}}{R_{top} + R_{bottom}} \]
Эта схема является базовой и очень надежной для включения светодиодов по уровню освещенности.
