ΟΠΤΙΚΑ ΦΩΤΟΚΥΤΤΑΡΑ

Τα φωτοκύτταρα είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται ευρύτατα στα συστήματα αυτοματισμού.
Ανιχνεύουν την παρουσία ή την απουσία ενός αντικειμένου χωρίς να έρχεται σε επαφή με αυτό.
Κατασκευάζονται σε μεγάλη ποικιλία χαρακτηριστικών, κατάλληλα να λειτουργήσουν σε διάφορες συνθήκες βιομηχανικού περιβάλλοντος

Ανάλογα με τη μέθοδο ανίχνευσης που χρησιμοποιούν, τα φωτοκύτταρα διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες:

--Χωριστού πομπού-δέκτη ή φράγματος (separate type, barrier type)
--Με ανακλαστήρα (retroreflective type)
--Με ανάκλαση στο προς ανίχνευση αντικείμενο (diffuse reflective type)

Φωτοκύτταρα χωριστού πομπού-δέκτη

Τα φωτοκύτταρα αυτά αποτελούνται από δύο ξεχωριστές συσκευές: ένα πομπό (emmiter) και ένα δέκτη (receiver, detector).

Στο παρακάτω σχήμα δίνεται μια διάταξη της εγκατάστασης ενός τέτοιου φωτοκύτταρου.

Πομπός και δέκτης τοποθετούνται σε απέναντι θέσεις (αντικριστά). Η δέσμη φωτός  που εκπέμπεται από τον πομπό, εστιάζεται πάνω στο δέκτη. Το φωτοκύτταρο ανιχνεύει ένα αντικείμενο, όταν αυτό παρεμβληθεί και διακόψει τη φωτεινή δέσμη προς το δέκτη.

 

Ο πομπός εκπέμπει μια στενή δέσμη φωτός και, όταν δεν παρεμβάλλεται εμπόδιο, ο δέκτης την λαμβάνει. Αυτή η δέσμη φωτός είναι γενικά στο υπέρυθρο (IR) μέρος του φάσματος και άρα μη ορατή. Όταν η δέσμη διακοπεί (πχ όταν περάσει ένας πεζός ή ένα όχημα μεταξύ πομπού και δέκτη), ο δέκτης θα ενεργοποιήσει έναν διακόπτη. Ο διακόπτης αυτός, συνδέεται με τον πίνακα ελέγχου του εκάστοτε μηχανισμού. Έτσι, ο πίνακας ελέγχου πληροφορείται για την ύπαρξη εμποδίου και εκτελεί την λειτουργία που είναι προγραμματισμένος να κάνει.
Η δεδομένη αντίδραση ενός πίνακα ελέγχου, όταν λάβει σήμα από τα φωτοκύτταρα ασφαλείας, είναι να σταματήσει άμεσα την κίνηση. Αμέσως μετά το σταμάτημα, οι πιθανές αντιδράσεις του πίνακα ελέγχου μπορεί να είναι:
κρατά τον μηχανισμό σταματημένο και συνεχίζει την κίνηση μόνο όταν λάβει νέα εντολή κίνησης από μπουτόν, τηλεχειριστήριο κλπ (εάν βέβαια έχει σταματήσει το σήμα για την ύπαρξη εμποδίου) ή κρατά τον μηχανισμό σταματημένο για όσο συνεχίζει και λαμβάνει σήμα για την ύπαρξη εμποδίου και συνεχίζει αυτόματα την αρχική κίνηση όταν σταματήσει το σήμα, ή
αντιστρέφει την κίνηση (πχ εάν ήταν στο κλείσιμο όταν έλαβε σήμα για εμπόδιο, εκτελεί άνοιγμα)
Το τι από τα παραπάνω θα συμβεί, εξαρτάται από τις δυνατότητες αλλά και τον προγραμματισμό του πίνακα ελέγχου.

Εφαρμογές

Τα φωτοκύτταρα χωριστού πομπού-δέκτη είναι κατάλληλα για εφαρμογές όπως:

--Ανίχνευση αντικειμένων που απορροφούν ή ανακλούν τη φωτεινή δέσμη
--Λειτουργία σε βρώμικο ή βεβαρημένο περιβάλλον (σκόνη, βροχή, ομίχλη κ.λ.π.)
--Για μεγάλες αποστάσεις ανίχνευσης (μέχρι 80 μέτρα)
--Για ακριβή έλεγχο θέσης και ανίχνευση μικρών αντικειμένων
Σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιούνται μάσκες (παραπετάσματα με ανοίγματα συγκεκριμένων διαστάσεων) ή φωτοκύτταρα με οπτικές ίνες που θα δούμε στη συνέχεια.

Τα φωτοκύτταρα χωριστού πομπού-δέκτη δεν είναι κατάλληλα για εφαρμογές όπως:

--Για ανίχνευση διάφανων αντικειμένων και ακριβείς ευθυγραμμίσεις

Μειονέκτημα αυτών των φωτοκύτταρων είναι το υψηλό κόστος εγκατάστασης, αφού πομπός και δέκτης είναι χωριστά και χρειάζονται ξεχωριστή καλωδίωση.

Στο παρακάτω σχήμα δείχνεται μια ιδιαίτερη κατασκευή φωτοκύτταρου χωριστού πομπού-δέκτη γνωστή σαν φωτοκύτταρο πετάλου. Ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται πάνω στην  ίδια συσκευή, τοποθετημένοι στις απέναντι πλευρές του πετάλου. Εξασφαλίζεται έτσι μια πιο συμπαγής κατασκευή, κατάλληλη για εφαρμογές στις οποίες το φωτοκύτταρο πρέπει να τοποθετηθεί πολύ κοντά στο υλικό που πρέπει να ανιχνευθεί.
Επειδή ο πομπός και ο δέκτης είναι πολύ κοντά ο ένας στον άλλο, τα φωτοκύτταρα αυτά έχουν πολύ μεγάλη ευαισθησία. Τέτοια φωτοκύτταρα χρησιμοποιούνται για να εντοπίσουν έγχρωμα σήματα πάνω σε διαφανή ή ημιδιαφανή υλικά.

Επίσης χρησιμοποιούνται για εφαρμογές σε γρήγορους ανελκυστήρες, που αφορούν καταμέτρηση ορόφων, εύρεση σωστού επιπέδου ορόφου, αλλά και σε βιομηχανικές εφαρμογές, μιας που διαθέτουν υψηλή ανοσία στο φωτισμό του περιβάλλοντος, είναι ταχύτατα και είναι σχεδόν ανεπηρέαστα από τη σκόνη .

Φωτοκύτταρα με ανακλαστήρα

Στα φωτοκύτταρα αυτά πομπός και δέκτης βρίσκονται στην ίδια συσκευή. Η δέσμη φωτός που εκπέμπεται από τον πομπό επιστέφει και εστιάζεται στο δέκτη , αφού προηγούμενα ανακλαστεί πάνω στον ανακλαστήρα. Το φωτοκύτταρο ανιχνεύει ένα αντικείμενο, όταν αυτό παρεμβληθεί μεταξύ φωτοκύτταρου και ανακλαστήρα έτσι ώστε η φωτεινή δέσμη να μην επιστέφει
στο δέκτη ή να επιστέφει αρκετά εξασθενημένη.

Εφαρμογές

Τα φωτοκύτταρα αυτού του τύπου είναι κατάλληλα για εφαρμογές με σχετικά καθαρό περιβάλλον και για μεσαίες αποστάσεις ανίχνευσης, μέχρι τα 22 μέτρα, Είναι οικονομικά και εύκολα στην καλωδίωση και τη  ρύθμισή τους.

Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανίχνευση πολύ μικρών αντικειμένων και δεν συνιστάται η χρήση τους σε  περιβάλλον με πολύ σκόνη ή για ανίχνευση αντικειμένων που ανακλούν τη φωτεινή δέσμη.

Φωτοκύτταρο με ανάκλαση στο προς ανίχνευση αντικείμενο


Στα φωτοκύτταρα αυτά ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται πάνω στην ίδια συσκευή.
Όταν δεν υπάρχει αντικείμενο για ανίχνευση, η φωτεινή δέσμη που εκπέμπεται από τον πομπό διαχέεται στον περιβάλλοντα χώρο και δεν επιστρέφει στο δέκτη. Το φωτοκύτταρο ανιχνεύει ένα αντικείμενο, όταν αυτό παρεμβληθεί
στην πορεία της φωτεινής δέσμης και ένα σημαντικό μέρος της τελευταίας ανακλαστεί πάνω στο αντικείμενο και επιστρέψει στο δέκτη του φωτοκύτταρου.

Η απόσταση ανίχνευσης εξαρτάται από τις ανακλαστικές ιδιότητες του προς ανίχνευση αντικειμένου και την ευαισθησία του σήματος.
Σκούρα αντικείμενα απαιτούν μικρότερη απόσταση ανίχνευσης σε σχέση με πιο ανοιχτόχρωμα. Για να έχουμε καλύτερα αποτελέσματα, πρέπει το
προς ανίχνευση αντικείμενο να είναι απολύτως κάθετο στον οπτικό άξονα του φωτοκύτταρου και ο χώρος πίσω από το αντικείμενο να μην ευνοεί ανακλάσεις της φωτεινής δέσμης.

Εφαρμογές

Τα φωτοκύτταρα αυτού του τύπου είναι κατάλληλα για εφαρμογές όπως:

--Η ανίχνευση του αντικειμένου είναι δυνατή μόνο από τη μια πλευρά (στενότητα χώρου κ.λ.π)
--ανίχνευση διάφανων αντικειμένων, όπως κενών διάφανων φιαλών επάνω σε μεταφορική ταινία.
--ανίχνευση συνέχειας χαρτοταινιών περιτυλίγματος.

Τα φωτοκύτταρα αυτού του τύπου δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανίχνευση πολύ μικρών αντικειμένων και όταν η απόσταση ανίχνευσης είναι μεγαλύτερη των 3,5 μέτρων περίπου.

Επίσης είναι δύσκολο να ανιχνευθούν ικανοποιητικά, σκούρα αντικείμενα σε πιο ανοιχτόχρωμο φόντο ή αντικείμενα με μικρή διαφοροποίηση του χρωματικού τους τόνου σε σχέση με το φόντο.
Σε αυτές τις περιπτώσεις για την ανίχνευση των αντικειμένων χρησιμοποιούνται φωτοκύτταρα με ανάκλαση στο προς ανίχνευση αντικείμενο και απόρριψη φόντου (της επιφάνειας πίσω από το αντικείμενο)

Φωτοκύτταρα οπτικών ινών

Στα φωτοκύτταρα οπτικών ινών πομπός και δέκτης περιλαμβάνονται στην ίδια συσκευή.
Η φωτεινή δέσμη οδηγείται από τον πομπό στη θέση που θα βρεθεί το προς ανίχνευση αντικείμενο και μετά πίσω στο δέκτη μέσα από τα καλώδια οπτικών ινών.
Οι οπτικές ίνες ενεργούν σαν αγωγοί φωτός. Εισέρχονται με μια συγκεκριμένη γωνία και οδηγούνται στην επιθυμητή θέση με τις ελάχιστες απώλειες.

Στα φωτοκύτταρα οπτικών ινών συναντώνται και τα τρία συστήματα ανίχνευσης που είδαμε παραπάνω.

Με τη χρήση του καλωδίου οπτικών ινών η τοποθέτηση της συσκευής του φωτοκύτταρου μπορεί να γίνει μακριά από την περιοχή ελέγχου, κάτι που δεν μπορεί να γίνει με οποιοδήποτε άλλο φωτοκύτταρο διαφορετικού τύπου.
Με αυτού του είδους τα φωτοκύτταρα μπορούν να ανιχνευθούν αντικείμενα πολύ μικρών διαστάσεων.

Δείτε διάφορα είδη οπτικών φωτοκυττάρων

Βαθμίδα εξόδου φωτοκύτταρου

Η βαθμίδα εξόδου ενός φωτοκύτταρου είναι το τμήμα εκείνο με το οποίο το
φωτοκύτταρο συμμετέχει στο κύκλωμα αυτοματισμού μιας παραγωγικής διαδικασίας. Αυτή μπορεί να περιλαμβάνει:

--Ένα ηλεκτρονόμο (ρελέ) ενσωματωμένο στο φωτοκύτταρο. Το πηνίο του τροφοδοτείται από το ηλεκτρονικό κύκλωμα του φωτοκύτταρου.
--Ένα triac
--Ένα transistor
--Ένα ελεγχόμενο ανορθωτή πυριτίου (SCR)

Οι τρεις τελευταίες βαθμίδες εξόδου χαρακτηρίζονται σαν ηλεκτρονικές έξοδοι.

Φωτοκύτταρα με έξοδο μικροηλεκτρονόμο

Τα φωτοκύτταρα με έξοδο μικροηλεκτρονόμο συνήθως διαθέτουν μια μεταγωγική ηλεκτρική επαφή, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Πλεονεκτήματα

--Έχουν μεγάλη περιοχή ονομαστικής τάσης τροφοδοσίας. Συνήθως 12-240V DC και 24-240V AC
--Επιτρέπουν μεγαλύτερη ευελιξία και ευκολία στη χρησιμοποίησή τους σε ένα κύκλωμα αυτοματισμού όσον αφορά στην τάση λειτουργίας του κυκλώματος και στην ένταση ρεύματος που μπορούν να ελέγχουν. Ενδεικτικές τιμές: μέχρι 3Α σε τάση 250V AC και ωμικό φορτίο (συνφ=1), μέχρι 1A σε τάση 30V DC.
--Μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους παράλληλα, σε σειρά, ή σε σύνθετη συνδεσμολογία χωρίς περιορισμούς.

Μειονεκτήματα

--Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη συχνότητα λειτουργίας (μεγαλύτερη των 20Hz). Η έξοδό τους έχει κινητά μέρη και καθυστερεί πολύ η αλλαγή της κατάστασης της επαφής.

--Έχουν μικρότερη διάρκεια ζωής (συνολικό αριθμό κύκλων λειτουργία) λόγω των κινητών μηχανικών μερών του μικροηλεκτρονόμου.

Φωτοκύτταρα δύο αγωγών

Το κύκλωμα λειτουργίας των φωτοκύτταρων αυτών συνδέεται σε σειρά με την ηλεκτρική κατανάλωση που ελέγχουν, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα
Λειτουργούν με εναλλασσόμενη τάση 24-240V συνήθως. Η έξοδός τους είναι ηλεκτρονική με μέγιστη ικανότητα ρεύματος από 200 μέχρι 300mA.

Φωτοκύτταρα τριών αγωγών

Αυτά έχουν ηλεκτρονική έξοδο που περιλαμβάνει ένα τρανζίστορ NPN ή PNP. Λειτουργούν με συνεχή τάση 12-24V (συνήθως) και έχουν μέγιστη ικανότητα ρεύματος από 80 μέχρι 200mA. Οι δύο από τους τρεις αγωγούς του φωτοκύτταρου χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία του κυκλώματός του.

Όταν η έξοδος του φωτοκύτταρου είναι τρανζίστορ PNP, η ηλεκτρική κατανάλωση συνδέεται μεταξύ του τρίτου αγωγού και του αρνητικού αγωγού τροφοδοσίας (-), όπως φαίνεται στο σχήμα α.
Όταν η έξοδος του φωτοκύτταρου είναι τρανζίστορ ΝΡΝ, η ηλεκτρική κατανάλωση συνδέεται μεταξύ του τρίτου αγωγού και του θετικού αγωγού τροφοδοσίας (+), όπως φαίνεται στο σχήμα β.

Φωτοκύτταρα τεσσάρων αγωγών
Υπάρχουν επίσης φωτοκύτταρα με τέσσερις αγωγούς και έξοδο τρανζίστορς. Τα φωτοκύτταρα αυτά ελέγχουν ταυτόχρονα δύο ηλεκτρικές καταναλώσεις όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Κύρια πλεονεκτήματα των φωτοκύτταρων με έξοδο τρανζίστορ είναι:

--Έχουν πολύ γρήγορη απόκριση (της τάξης των 5 msec) στην παρουσία ή την απουσία του προς ανίχνευση αντικειμένου
--Έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, επειδή δεν έχουν κινητά μέρη.

Άλλα τεχνικά χαρακτηριστικά των φωτοκύτταρων. Χρονικές λειτουργίες ενσωματωμένες σε φωτοκύτταρα

Τα περισσότερα φωτοκύτταρα κατασκευάζονται έτσι ώστε να υπάρχει η δυνατότητα επιλογής της κατάστασης στην οποία θα συμπεριφέρονται σαν κλειστή ηλεκτρική επαφή, όσον αφορά στην παρουσία ή απουσία του προς ανίχνευση αντικειμένου.

Δηλαδή μπορεί να γίνει η επιλογή, το φωτοκύτταρο να συμπεριφέρεται σαν κλειστή ηλεκτρική επαφή και να τροφοδοτείται η ηλεκτρική κατανάλωση που ελέγχει, όταν ο δέκτης του φωτοκύτταρου δέχεται τη δέσμη της φωτεινής ακτινοβολίας από τον πομπό.
Ο τρόπος αυτός ενεργοποίησης χαρακτηρίζεται ως ενεργοποίηση σε παρουσία δέσμης φωτεινής ακτινιβολίας (light-ON).

Επίσης μπορεί να γίνει η επιλογή, το φωτοκύτταρο να συμπεριφέρεται σαν κλειστή ηλεκτρική επαφή και να τροφοδοτείται η ηλεκτρική κατανάλωση που ελέγχει, όταν η δέσμη της φωτεινής ακτινοβολίας από τον πομπό δεν φτάνει στο δέκτη.
Ο τρόπος αυτός ενεργοποίησης χαρακτηρίζεται ως ενεργοποίηση σε απουσία δέσμης φωτεινής ακτινιβολίας (light-OFF).

Στον παρακάτω πίνακα εξειδικεύεται ο τρόπος λειτουργίας του φωτοκύτταρου ανάλογα με την παρουσία ή την απουσία του προς ανίχνευση αντικειμένου.

Η επιλογή του τρόπου ενεργοποίησης γίνεται ή με ένα ενσωματωμένο διακόπτη επιλογής ή με κατάλληλη συνδεσμολογία του φωτοκύτταρου, όπως  φαίνεται στο επόμενο σχήμα:

Τα περισσότερα φωτοκύτταρα με ηλεκτρονική έξοδο έχουν ενσωματωμένες προστασίες για την περίπτωση βραχυκυκλώματος στη θέση της ηλεκτρικής κατανάλωσης και την περίπτωση αναστροφής τροφοδοσίας (σε αυτά που λειτουργούν με συνεχές ρεύμα).

Κατασκευάζονται επίσης φωτοκύτταρα με ενσωματωμένη χρονική λειτουργία. Σε ορισμένα υπάρχει και η δυνατότητα επιλογής της χρονικής λειτουργίας με ένα διακόπτη επιλογής.

Συνηθισμένες ενσωματωμένες χρονικές λειτουργίες στα φωτοκύτταρα είναι όπως και στα απλά χρονικά:

--Χρονική καθυστέρηση στην ενεργοποίηση της εξόδου του φωτοκύτταρου (delay on)
--Χρονική καθυστέρηση στην απενεργοποίηση της εξόδου του φωτοκύτταρου (delay off)
--Χρονική λειτουργία δημιουργίας παλμού όταν ενεργοποιείται το κύκλωμα εξόδου του φωτοκύτταρου