Автор - Александр Борисов.
Опубликовано 29.12.2010.

Как-то принесли в ремонт выключатель на основе пироэлектрического датчика движения.

Лампа постоянно горела и не выключалась. Решение, лежащее на поверхности - заменить пробитый симистор. После замены лампа перестала гореть, но и включаться не хотела. Стало понятно, что схема управления также вышла из строя. На плате выключателя установлена микросхема U2100B. Найденный в интернете даташит показал, что микросхема U2100B - это таймер для сетевых (~220В) нагрузок, под управлением которого могут работать реле

и симистор

Структура микросхемы-таймера:

Видно, что внутри микросхемы сформировано триггерное окно (Trigger window), образованное двумя компараторами напряжения, инверсный и не инверсный входы которых объединены (вывод 6). На вторые входы компараторов поданы опорные напряжения 0,5VRef=0,5x5V=2,5V и 0,65VRef=0,65x5V=3,25V. Таким образом, напряжение окна равно 3,25V-2,5V=0,75V. С вывода 8 (VRef) снимается напряжение 5V и сглаживается конденсатором С2. Это напряжение используется для питания схемы пироэлектрического датчика. На вывод 6 подаётся выходной сигнал от схемы датчика. Схема самого датчика расположена отдельно от платы выключателя в корпусе, имеющем линзу Френеля и установленном на передней панели выключателя. Предусмотрено небольшое изменение положения датчика по горизонтали путём его поворота. 
Внешний вид датчика в корпусе:

вид на плату с элементами:

От платки датчика отходят три жёлтых провода: плюс питания, минус питания и сигнальный. Плата крепится к корпусу с помощью одного винтика:

После подключения схемы датчика к отдельному источнику питания +5В, датчик оказался в рабочем состоянии. Теперь осталось посмотреть, что происходит на выходе схемы датчика. На рисунке 1 показана эпюра выходного напряжения, снятая осциллографом.

В исходном состоянии, когда в зоне датчика нет перемещения инфракрасного излучения, т.е. живого объекта (именно перемещения - пироэлектрические датчики реагируют на изменение тепловой обстановки только в динамическом режиме!), на выходе присутствует некий средний уровень напряжения +2,1В. Этот участок на графике обозначен как 0 - t1. При медленном приближении руки к датчику, выходное напряжение стало плавно уменьшаться (участок t1 - t2). Когда движение было остановлено, выходное напряжение вернулось к исходному уровню +2,1В. При быстром приближении руки выходное напряжение резко снизилось до нулевого уровня (участок t3 - t4), а затем, вновь вернулось к исходному уровню +2,1В. Такая же картинка наблюдалась при удалении руки от датчика, только выходное напряжение теперь увеличивалось. Для плавного движения показан участок t5 - t6, а для быстрого - участок t7 - t8. Для отслеживания уровня выходного напряжения датчика как вверх, так и вниз и предназначено триггерное окно в микросхеме U2100B. Выходное напряжение схемы датчика, как указывалось выше, в режиме покоя равно +2,1В и, казалось бы, не входит в напряжение окна, ограниченное сверху 3,25 вольтами, а снизу 2,5 вольтами. Но это напряжение (+2,1В) замерено относительно минусового провода питания. В схеме выключателя общим является плюсовой провод, поэтому относительно плюса напряжение на выходе схемы датчика будет равно (по модулю) 5V-2,1V=2,9V, которое как раз и укладывается в указанные рамки окна. Для использования датчика в радиолюбительских цифровых конструкциях его выходное напряжение необходимо преобразовать, т.е. привести к дискретному виду. Если отслеживать изменение уровня только вверх или только вниз, что легко реализовать без всяких ухищрений, то чувствительность датчика будет снижена в два раза. Можно воспользоваться схемой дискриминатора, построенного на операционных усилителях или компараторах. А если нужно сверхмалое потребление тока, тогда придётся реализовать схему на специализированных микромощных радиоэлементах. Но можно построить схему преобразователя сигнала на обычных транзисторах, которые в закромах радиолюбителя всегда есть. На РИСУНКЕ 2 показана такая схема. Это не что иное, как измерительный мост. В исходном состоянии потенциалы баз и эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 равны, значит, эти транзисторы закрыты и, следовательно, мост уравновешен. Транзистор VT3 закрыт положительным смещением с резистора R3, а транзистор VT4 закрыт отрицательным смещением с резистора R4. С резистора R9 снимается практически напряжение питания (уровень лог.1). При снижении выходного напряжения датчика транзистор VT2 открывается, подавая положительный потенциал с R5 на базу VT4, который также открывается. С выхода преобразователя снимается напряжение с низким уровнем (лог.0). При увеличении выходного напряжения датчика открывается транзистор VT1. На базу VT3 с резистора R7 поступает низкий уровень напряжения. Транзистор VT3 открывается и через R8 на базу VT4 поступает положительный потенциал. Транзистор VT4 открывается и с его коллектора опять снимается низкий уровень. Таким образом, схема отслеживает изменения выходного напряжения датчика - как вверх, так и вниз. Зона нечувствительности составляет порядка 1,2 вольт (0,6 + 0,6 вольт) и обусловлена падением напряжения на переходах Б-Э транзисторов VT1 и VT2. Чтобы её скомпенсировать установлен подстроечный резистор R6. При увеличении его сопротивления, потенциалы эмиттеров VT1 и VT2 начинают принимать противоположные знаки, следовательно, чувствительность преобразователя увеличивается. Если необходимо, чтобы в исходном состоянии на выходе преобразователя было низкое напряжение (уровень лог.0), то в выходном каскаде изменяют включение транзисторов VT3 и VT4, как показано на РИСУНКЕ 3. Замеренный ток потребления датчиком при питании напряжением 5В равен 1-ому миллиамперу. Малое потребление тока датчиком и схемой преобразователя позволяет их использовать в конструкциях с бестрансформаторным питанием. Например, устройство, рассмотренное в статье Микросхема К145АП2 для пиродатчика, где использовался пироэлектрический датчик от сигнализационной системы, не может заменить стенной выключатель в квартире из-за включения схемы параллельно лампе накаливания. С данным преобразователем и датчиком появляется возможность замены. Эксперимент показан на фото:

Пример схемы включения рассмотренного преобразователя совместно с микросхемой К145АП2 приведён на рисунке 4.

В схему добавлен стабилизатор DA2, формирующий питание датчика и преобразователя. Транзистор VT5 инвертирует сигнал и согласует логические уровни напряжений на выходе преобразователя и на входе схемы - формирователя управляющих сигналов DD1. Так как теперь вся схема включена параллельно симистору, она может заменить собой покупные пироэлектрические выключатели. В отличие от покупных выключателей, в которых лампа включается и выключается обычным образом, в варианте на микросхеме К145АП2 включение и выключение лампы плавное. Балластный конденсатор С8, возможно, придётся подобрать по минимальному току потребления устройством, при котором не будет нарушаться рабочий режим. В заключении можно отметить, что малое потребление мощности датчиком и преобразователем даёт возможность применять их в других радиолюбительских конструкциях, где требуется экономичный режим работы. Преобразователь также может применяться в конструкциях, в которых необходимо преобразовать переменный сигнал инфранизкой частоты в импульсный для дальнейшей обработки цифровыми схемами...

Вопросы, как обычно, складываем тут.