Фотореле: устройство и применение¶

Фотореле — это электронное устройство или схема, предназначенная для автоматического включения и выключения электрической нагрузки в зависимости от уровня освещённости окружающей среды. Оно относится к классу датчиков освещённости и коммутационных приборов, объединяя в одном корпусе светочувствительный элемент, пороговую схему сравнения и исполнительный ключ (чаще всего электромагнитное реле или симистор). Фотореле широко применяется в системах автоматизации освещения, уличной и промышленной светотехнике, а также в бытовых приборах.

¶Принцип работы

Основой фотореле служит светочувствительный датчик, преобразующий падающий свет в электрический сигнал. В зависимости от типа датчика меняется и характер работы устройства.

Наиболее распространены два типа чувствительных элементов:

• Фоторезистор — полупроводниковый элемент, сопротивление которого уменьшается при увеличении освещённости. Прост, дёшев, но имеет заметную инерционность и температурный дрейф.
• Фотодиод — полупроводниковый прибор, генерирующий ток или изменяющий обратное сопротивление под действием света. Обладает более высокой чувствительностью и быстродействием.

Сигнал с датчика поступает на пороговую схему — компаратор или транзисторный каскад. Когда освещённость опускается ниже заданного порога, схема срабатывает и подаёт напряжение на исполнительный элемент, который замыкает цепь нагрузки. При повышении освещённости выше порога нагрузка отключается.

Важной особенностью качественных фотореле является гистерезис — разница между порогами включения и выключения. Он предотвращает многократное срабатывание устройства при освещённости, колеблющейся около порогового значения (например, в сумерках при проезжающих автомобилях или мерцании облаков).

¶История и развитие

Простейшие автоматические выключатели освещения на основе селеновых фотоэлементов появились ещё в первой половине XX века. С развитием полупроводниковой техники в 1960–1970-е годы фотореле стали массовыми и компактными: на смену громоздким фотоэлементам пришли фоторезисторы на основе сульфида кадмия и кремниевые фотодиоды.

Дальнейшая эволюция связана с переходом от аналоговых схем на транзисторах и операционных усилителях к цифровым устройствам с микроконтроллерным управлением. Современные фотореле нередко оснащаются регулировкой порога срабатывания, задержкой выключения и защитой от ложных срабатываний. В России фотореле выпускаются рядом электротехнических предприятий и широко представлены в линейках низковольтной автоматики.

¶Классификация

Фотореле различают по нескольким признакам.

¶По типу установки

¶По типу нагрузки и коммутации

• Релейные — коммутируют нагрузку контактами электромагнитного реле, выдерживают значительные токи.
• Полупроводниковые (симисторные, тиристорные) — бесшумны, имеют высокий ресурс, но чувствительны к перегрузкам и нагреву.

¶По функциональности

Простые модели обеспечивают только пороговое включение. Более сложные устройства совмещают функции фотореле и астрономического таймера, включаясь по расчётному времени захода и восхода солнца, либо дополняются датчиком движения.

¶Основные характеристики

При выборе фотореле учитывают следующие параметры:

• Порог срабатывания — уровень освещённости, обычно регулируемый в диапазоне от 5 до 50 люкс и более.
• Задержка срабатывания — время, в течение которого освещённость должна оставаться ниже порога, чтобы устройство включилось; защищает от кратковременных помех.
• Коммутируемая мощность и ток — максимальная нагрузка, которую способны выдержать контакты или полупроводниковый ключ.
• Напряжение питания — как правило, 220 В переменного тока в бытовых и уличных моделях.
• Степень защиты корпуса — IP-рейтинг, определяющий устойчивость к пыли и влаге.

¶Применение

Наибольшее распространение фотореле получили в системах автоматического управления освещением.

• Уличное и дорожное освещение — включение фонарей с наступлением темноты и выключение на рассвете, что снижает расход электроэнергии и исключает ручное управление.
• Освещение подъездов, лестничных клеток и дворов — часто в сочетании с датчиками движения.
• Рекламные вывески и витрины — автоматическая подсветка в тёмное время суток.
• Садовые и парковые светильники — автономные приборы со встроенным фотореле.
• Промышленность и сельское хозяйство — управление освещением теплиц, складов, а также счётчики и датчики в измерительных системах.

Помимо освещения, фотореле применяются в схемах автоматики: для контроля наличия объекта по прерыванию светового луча, в охранных системах, в устройствах сортировки и подсчёта.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам фотореле относят простоту конструкции, невысокую стоимость, энергосбережение за счёт отключения света в дневное время и отсутствие необходимости в ручном управлении.

Основные ограничения связаны с чувствительностью датчика к загрязнению и запылению: осевшая на фотоэлементе пыль или снег искажают показания и приводят к ложным срабатываниям. Кроме того, устройство может реагировать на посторонние источники света — фары автомобилей, вспышки, свет от соседних фонарей. Для борьбы с этим применяют гистерезис, задержки и экранирование датчика. Полупроводниковые модели чувствительны к перегрузкам и требуют запаса по току.

¶Монтаж и обслуживание

Наружные фотореле устанавливают так, чтобы датчик был обращён в сторону, где освещённость соответствует естественной, и не попадал в зону действия собственного светильника или других источников света. Устройство подключается в разрыв фазного провода питающей линии. Периодически требуется очистка светочувствительного элемента от пыли, снега и насекомых, а также проверка надёжности контактов. При выходе из строя датчика или реле устройство заменяют целиком либо меняют чувствительный элемент.

Источники: техническая документация производителей низковольтной автоматики; учебные пособия по электротехнике и электронике; справочные материалы по светотехнике и автоматизации освещения.