ФОТОДАТЧИК С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

Полезная модель относится к области измерения интенсивности оптического излучения и может быть использована в системах контроля доступа на охраняемые объекты.
Известно устройство для преобразования освещенности в частоту, содержащее фотодиод, времязадающий конденсатор, транзисторы, резисторы и таймер с триггером для формирования выходных импульсов прямоугольной формы [Куклин. В.Д. Преобразователь “освещенность - частота”. Авторское свидетельство СССР №167210, МПК G01J 1/44, опубл. 23.09.1991 г.].
Известен также фотодатчик, содержащий фотодиод, включенный в цепь обратной связи операционного усилителя, компаратор, ключевой элемент, источники опорных напряжений и одновибратор, формирующий выходные импульсны прямоугольной формы [Гурьев Л.П., Козачок А.Г., Нечаев В.Г. Фотометр. Авторское свидетельство СССР на изобретение №1116325, МПК G01J 1/44, опубл. 30.09.1984 г.].
Общим недостатком этих устройств является большая мощность потребления, обусловленная непрерывным протеканием тока через функциональные узлы независимо от уровня контролируемого оптического излучения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является датчик излучения, содержащий триггер Шмидта, собранный на операционном усилителе с резисторами в цепи положительной обратной связи для формирования выходных импульсов прямоугольной формы. В цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя включен еще один резистор, который соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и фотодиодом, служащим для преобразования светового излучения в фототок [Грунин В.К., Кильвейн С.А., Пономарева Н.В. Датчик излучения. Авторское свидетельство СССР №1689763, МПК G01J 1/44, опубл. 07.11.1991 г.].
Недостатком данного устройства является повышенная потребляемая мощность, так как в процессе преобразования оптического излучения в частоту импульсов триггер Шмидта на операционном усилителе непрерывно работает в активном режиме и через него протекает номинальный ток питания, составляющий, как правило, несколько миллиампер. Кроме того, потребляемая мощность повышается за счет протекания тока по резисторам, включенным в цепь положительной обратной связи операционного усилителя, поэтому суммарная мощность потребления устройства составляет десятки милливатт.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, является уменьшение потребляемой мощности за счет модуляции напряжения питания устройства в зависимости от уровня светового потока, поступающего на фотодиод от внешнего источника оптического (инфракрасного) излучения.
Для достижения такого технического результата в фотодатчик, содержащий фотодиод, подключенный к первому резистору, триггер Шмидта и второй резистор, включенный в цепь отрицательной обратной связи триггера Шмидта, выход которого является выходом устройства, дополнительно введены времязадающий конденсатор и транзистор. Коллектор этого транзистора подключен к клемме питания триггера Шмидта, вход которого через времязадающий конденсатор соединен с нулевой цепью. База транзистора через первый резистор подключена к нулевой цепи и через фотодиод соединена с эмиттером транзистора и источником напряжения питания фотодатчика.
На фиг. 1 показана схема фотодатчика с частотным выходом.
В состав фото датчика входит фотодиод 1, анод которого через первый резистор 2 соединен с нулевой цепью и подключен к базе транзистора 3, эмиттер которого соединен с источником положительного напряжения питания и катодом фотодиода 1. Коллектор транзистора 3 подключен к клемме питания триггера Шмидта 4, вход которого через времязадающий конденсатор 5 соединен с нулевой цепью и через второй резистор 6 подключен к инвертирующему выходу триггера Шмидта 4, который является выходом преобразователя.
Фотодатчик с частотным выходом работает следующим образом.
2
Ф
R2
Ф
2
ПИТ
K3
ПИТ4
В исходном состоянии на фотодиод 1 освещается внешним источником светового, например, инфракрасного излучения. Поэтому через первый резистор 2 с большим сопротивлением R≥1 МОм протекает фототок I, вырабатываемый фотодиодом 1, который создает на резисторе 2 падение напряжения, близкое к напряжению питания фотодатчика: U=I·R≈U. В этом случае транзистор 3 находится в закрытом состоянии и имеет малый коллекторный ток I≤1 мкА и большое сопротивление коллектора, поэтому напряжение питания триггера Шмидта 4 пренебрежимо мало, т.е. U≈0.
ф
кэ
ПИТ4
ПИТ
КЭ
ПИТ
Если поток светового излучения перекрывается, например, при проходе нарушителя режима между источником инфракрасного излучения и фотодатчиком с частотным выходом, то значение фототока I понижается. Это приводит к уменьшению падения напряжения на первом резисторе 2 и, как следствие, к открыванию транзистора 3. Данный транзистор выполняет функцию ключевого элемента, и при открывании напряжение на его переходе “коллектор-эмиттер” уменьшается до пренебрежимо малого уровня U≤0,1 В. Вследствие этого напряжение питания триггера Шмидта 4 повышается до значения, близкого к напряжению питания: U=U-U≈U.
ВЫХ
ПИТ4
Г
6
5
Г
ПИТ4
6
5
Схема триггера Шмидта 4 со вторым резистором 6 в цепи обратной связи и времязадающим конденсатором 6 на входе представляет собой генератор импульсов, частота которых f≈U/(2ΔURC) зависит от зоны гистерезиса ΔU триггера Шмидта, напряжения питания U, сопротивления Квторого резистора 6 и емкости С времязадающего конденсатора 5. Вследствие этого при открывании транзистора 3 на выходе триггера Шмидта 4 формируется последовательность импульсов, указывающая на срабатывание фотодатчика, что свидетельствует о наличии нарушения в зоне контроля.
Уменьшение потребляемой мощности в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет автоматического регулирования напряжения питания в зависимости от уровня оптического излучения и использования вместо операционного усилителя КМДП цифровой микросхемы триггера Шмидта.
21
5
2
6
ПОТ1
ПОТ2
В частности, при экспериментальном исследовании фотодатчика установлено, что применение в качестве триггера Шмидта микросхемы К561ТЛ1, транзистора типа КТ3107Ж с большим коэффициентом усиления тока базы h>500, времязадающего конденсатора с емкостью C=1000 пФ, резисторов с сопротивлением R=R=1 МОм и фотодиода типа ФД253 позволяет уменьшить потребляемую мощность до уровня P≈25 мкВт в дежурном режиме работы и до уровня P≈100 мкВт - при срабатывании фото датчика.
ПИТ
ВЫХ
При использовании таких элементов и напряжении питания фотодатчика U=5 В частота его выходных импульсов составляет f=5 кГц.
По сравнению с прототипом использование предложенного технического решения позволяет в 50-100 раз уменьшить потребляемую мощность фото датчика с частотным выходом без существенного усложнения его схемы.
К дополнительным достоинствам предлагаемой полезной модели относится возможность регулирования частоты импульсов изменением емкости времязадающего конденсатора. Это позволяет повысить универсальность применения таких фотодатчиков в многоканальных системах контроля доступа на охраняемые объекты со звуковой индикацией. Так, при установке разной частоты колебаний фотодатчиков в случае срабатывания одного из них по частоте звука на центральном пульте охраны можно судить о конкретном месте срабатывания фотодатчика и оперативно принимать меры для исключения возможного проникновения нарушителя в охраняемую зону.
Следует также отметить, что формирование частотного сигнала на выходе фотодатчика позволяет исключить потери информации при большой длине линий связи между центральным пунктом охраны и территориально разнесенными фотодатчиками и тем самым повысить надежность контроля.