Θερμίστορς PΤC και NTC

Τα θερμίστορς ή θερμοαντιστάτες ανήκουν στην κατηγορία των παθητικών αισθητήρων και μεταβάλλουν την ωμική τους αντίσταση ανάλογα με τη θερμοκρασία τους. Παθητικά είναι τα αισθητήρια τα οποία δεν χρειάζονται τροφοδοσία ρεύματος για να λειτουργήσουν, και απλώς παράγουν μία μεταβλητή.

Η θερµοκρασία που επηρεάζει την τιµή της αντίστασης προσδιορίζεται από δύο παράγοντες: 

•Θερµοκρασία περιβάλλοντος του θερµίστορ 

•Αύξηση θερµοκρασίας από την κατανάλωση ισχύος στο θερµίστορ όταν διαρρέεται από ρεύµα

Η λέξη θερμίστορ είναι συνένωση των Αγγλικών λέξεων thermal και resistor.

Ο θερμοαντιστάτης κατασκευάζεται από θερμοευαίσθητα υλικά. Τα υλικά αυτά συνήθως είναι προϊόντα σύντηξης μαγνησίου, κοβαλτίου, νικελίου και άλλων υλικών. Ως ηλεκτρικό εξάρτημα, ο θερμοαντιστάτης δεν έχει πολικότητα έτσι για τη σύνδεσή του σε κύκλωμα δε χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή. 

Κατηγορίες θερμίστορς

Τα θερμίστορ είναι τυπικά δύο "αντιθέτων" τύπων:

PTC (Αισθητήριο ημιαγωγού που μεταβάλει την ωμική του αντίσταση ανάλογα με την θερμοκρασία). Χρησιμοποιείται για θερμοκρασίες από –25- 150oC.

Στα θερμίστορ αυτά σε μια μεγάλη περιοχή θερμοκρασίας, η αντίστασή τους αυξάνει καθώς η θερμοκρασία αυξάνει, παρουσιάζουν δηλαδή θετικό
θερμικό συντελεστή. Όλα τα μέταλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την
κατασκευή PTC, παρουσιάζουν όμως χαμηλό θερμικό συντελεστή. Αντίθετα άλλα (κεραμικά) υλικά παρουσιάζουν υψηλό συντελεστή και γι αυτό προτιμούνται.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ PTC θερμίστορ

Οι τιμές της αντίστασης των θερμίστορς PTC κυμαίνονται από 0.5 Ω έως 20 kΩ σε θερμοκρασία δωματίου. Επειδή η αύξηση της αντίστασης γίνεται απότομα, τα θερμίστορς αυτά δεν ενδείκνυνται για τη μέτρηση συνεχών τιμών θερμοκρασίας αλλά για τη διακοπή της τροφοδοσίας κυκλωμάτων. Έτσι αποτελούν θερμοευαίσθητους ηλεκτρονικούς διακόπτες. Δεν έχουν μηχανικά μέρη όπως άλλοι διακόπτες, και επομένως εμφανίζουν μηδενική μηχανική φθορά και μεγάλη διάρκεια ζωής. Επιπρόσθετα δεν εμφανίζουν φαινόμενα υστέρησης και έχουν εξαιρετικά χαμηλό κόστος. Τα θερμίστορς PTC αυτοθερμαίνονται όταν διαρρέονται από ρεύμα, και αυτό αξιοποιείται στις εφαρμογές.

Επειδή παρουσιάζουν μεγάλη μεταβολή της αντίστασης με την θερμοκρασία χρησιμοποιούνται για την προστασία κυκλωμάτων από υψηλά ρεύματα.
Στο επόμενο σχήμα βλέπουμε μια τέτοια συνδεσμολογία.

n Στην θερμοκρασία δωματίου η τιμή της αντίστασης του PTC είναι χαμηλή (τυπική τιμή μεταξύ 10 και 140 Ω).

n Ρεύμα Ι δημιουργεί μια τάση VL στο φορτίο και Vs στο θερμίστορ (VL>>Vs).

n Στο θερμίστορ παρέχεται τότε μια ισχύς P=IVs που αυξάνει την θερμοκρασία του.

n Κατά την κανονική λειτουργία της συσκευής (φορτίο) το ρεύμα Ι έχει χαμηλή τιμή, άρα μικρή είναι και η αύξηση της θερμοκρασίας του θερμίστορ, ώστε τελικά δεν επηρεάζεται η τιμή της ολικής αντίστασης του κυκλώματος.

n Όταν όμως συμβεί κάποιο βραχυκύκλωμα, η αντίσταση του φορτίου ελαττώνεται κατά πολύ, οπότε έχουμε μια μεγάλη αύξηση του ρεύματος.

n Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του θερμίστορ λόγω αυτοθέρμανσης, με αποτέλεσμα την αύξηση της αντίστασής του. Ετσι η ολική αντίσταση του κυκλώματος αυξάνει και επομένως το ρεύμα μειώνεται.

Οι συνηθέστερες εφαρμογές των θερμίστορς PTC είναι οι εξής :

1. Μέτρηση της ροής ρευστών

Εάν ένα θερμίστορ PTC ευρίσκεται σε ακίνητο αέρα ή σε ακίνητο υγρό, αδυνατεί να αποβάλλει πολλή θερμότητα και αυτοθερμαίνεται γρήγορα Έτσι γρήγορα μεταβαίνει στην κατάσταση υψηλής αντίστασης, στην οποία μπορεί να διακόψει ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να ελέγχει μία διαδικασία ψύξης, ευρισκόμενο μέσα στο ψυκτικό αέριο ή υγρό. Εάν η ροή του ψυκτικού αερίου ή υγρού μειωθεί, το θερμίστορ αποκτά μεγάλη αντίσταση και ενεργοποιεί ένα κύκλωμα προειδοποίησης ή το κύκλωμα ελέγχου της ροής του ψυκτικού.

2. Χρονική καθυστέρηση

    Εάν διαβιβάσουμε σε ένα θερμίστορ PTC ένα συγκεκριμένο ρεύμα, το θερμίστορ θα αυτοθερμανθεί και θα οδηγηθεί σε συγκεκριμένο χρόνο στην κατάσταση υψηλής αντίστασης, στην οποία μπορεί να ενεργοποιήσει κάποιο υποκύκλωμα. Επομένως μπορούμε να ενεργοποιήσουμε ένα υποκύκλωμα μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, να εισάγουμε δηλαδή μία επιθυμητή χρονική καθυστέρηση στη λειτουργία του υποκυκλώματος. Είναι σημαντικό να έχει το θερμίστορ PTC τη δυνατότητα να ψυχθεί πλήρως μεταξύ δύο διαδοχικών αυτοθερμάνσεων, αλλιώς η χρονική καθυστέρηση στη δεύτερη περίπτωση θα είναι μικρότερη και το θερμίστορ δε θα λειτουργεί αξιόπιστα.

3. Προστασία μπαταριών από υπερφόρτιση

    Όταν οι μπαταρίες φορτίζονται στη μέγιστη χωρητικότητά τους, θερμαίνονται. Έτσι ένα θερμίστορ PTC που ευρίσκεται σε επαφή με μία μπαταρία μπορεί να ανιχνεύσει πότε η μπαταρία φορτίζεται πλήρως. Τότε η αντίστασή του αυξάνει απότομα και μηδενίζεται το ρεύμα που το διαρρέει, με αποτέλεσμα τη διακοπή της τροφοδοσίας της μπαταρίας.

NTC (Αισθητήριο ημιαγωγού που μεταβάλει την ωμική του αντίσταση αντιστρόφως ανάλογα με την θερμοκρασία). Χρησιμοποιείται για θερμοκρασίες από –100 - 300oC, και παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια μέτρησης από το PTC. 

Στα θερμίστορ αυτά η αντίσταση μειώνεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνει,
παρουσιάζουν δηλαδή αρνητικό θερμικό συντελεστή. Η σχέση μεταξύ της αντίστασης και της θερμοκρασίας είναι ισχυρά μη γραμμική.

Χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση θερμοκρασίας

Τα θερμίστορς NTC εμφανίζουν μεγάλες μεταβολές αντίστασης όταν υφίστανται μικρές μεταβολές θερμοκρασίας. Η μεταβολή της αντίστασής τους καθορίζεται από το πηλίκο της αντίστασης στους 25 ^οC προς την αντίσταση στους 125 ^οC και είναι, ανάλογα με το μοντέλο, της τάξης του 20 έως 40. Αυτό σημαίνει ότι η αντίσταση σε θερμοκρασία 125 ^οC γίνεται από 20 έως 40 φορές μικρότερη της αντίστασης σε θερμοκρασία δωματίου 25^οC

Σήμερα διατίθενται θερμίστορς με διάφορες τιμές αντίστασης, από 500 Ω έως 10 MΩ σε θερμοκρασία δωματίου. Τα θερμίστορς NTC κατασκευάζονται σε μορφή ράβδου, δίσκου ή κάψουλας.

Η μη γραμμική σχέση της αντίστασης του θερμίστορ NTC με τη θερμοκρασία αποθαρρύνει συχνά τη χρήση των θερμίστορς σε εφαρμογές.

ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ

ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗΣ (Proximity Sensors)

Οι αισθητήρες προσέγγισης  ανιχνεύουν ένα υλικό χωρίς να έρθουν σε επαφή μαζί του. Όταν το υλικό ανιχνευθεί στα όρια της απόστασης που δίνεται από τον κατασκευαστή (συνήθως βγαίνουν μέχρι 25mm) τότε η επαφή του αισθητήρα (ΝΟ ή NC) αλλάζει κατάσταση.

Αναφέρονται επίσης με το όνομα διακόπτες προσέγγισης (proximity switches).

•Η διάρκεια λειτουργίας τους είναι μεγάλη, επειδή δεν έχουν επαφές και κινούμενα μέρη, τα οποία συνήθως φθείρονται εύκολα.
•Ο χρόνος από τη μια κατάσταση στην άλλη (ON/OFF) είναι πολύ μικρός, γι’ αυτό και η συχνότητα λειτουργίας τους μπορεί να είναι μεγάλη.
•Δεν παρουσιάζουν τα μειονεκτήματα σπινθηρισμών των επαφών, ούτε άλλα μειονεκτήματα που συνήθως προκύπτουν από τις μηχανικές ατέλειες. 

Τα αισθητήρια προσέγγισης επιλέγονται ανάλογα με:

Το υλικό τους (πλαστικοί ή μεταλλικοί)
Την τάση λειτουργίας
Τις διαστάσεις
Την απόσταση ανίχνευσης
Αν είναι χωνευτό ή εξωτερικό
Τι έξοδο έχει (PNP, NPN ή ρελέ)
Αν η επαφή εξόδου είναι ΝΟ ή NC
Αν έχουν ενσωματωμένο καλώδιο ή είναι με connector

 Οι συνηθέστεροι τύποι αισθητήρων προσέγγισης είναι:

1) Επαγωγικός αισθητήρας προσέγγισης (Inductive Proximity Sensor)
2) Χωρητικός αισθητήρας προσέγγισης (Capacitive Proximity Sensor)
3) Μαγνητικοί αισθητήρες προσέγγισης 

Επαγωγικός Αισθητήρας Προσέγγισης (Inductive Proximity Sensor)

Ο επαγωγικός αισθητήρας προσέγγισης είναι ο περισσότερο διαδεδομένος
τύπος αισθητήρα.  Όταν παρουσιαστεί μπροστά από την ενεργό επιφάνειά του, κάποιο μεταλλικό αντικείμενο, τότε η έξοδός του αλλάζει κατάσταση.  Αυτήν την ιδιότητα του επαγωγικού αισθητήρα την εκμεταλλευόμαστε σε διάφορες εφαρμογές.

Αρχή Λειτουργίας

Όταν τροφοδοτηθεί με ρεύμα ο επαγωγικός αισθητήρας, τότε δημιουργείται εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, μπροστά από την ενεργό επιφάνειά του.  Αν εισέλθει μέσα στο μαγνητικό αυτό πεδίο, κάποιο μεταλλικό αντικείμενο (σίδερο, αλουμίνιο, χαλκός κτλ), τότε προκαλείται ισχυρή απόσβεση της ταλάντωσης, αντιστρέφεται η έξοδος του κυκλώματος σκανδάλης και αλλάζει η κατάσταση της εξόδου του αισθητήρα. 

Επιπρόσθετα, έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα.

Λειτουργία εξ αποστάσεως, χωρίς φθορές καθώς και υψηλή συχνότητα και ακρίβεια ενεργοποίησης. Γενικά, οι επαγωγικοί αισθητήρες έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και δε χρειάζονται συντήρηση.  Μπορούν να τοποθετηθούν και σε αντίξοες συνθήκες λειτουργίας, όπως είναι η παρουσία υγρών, σκόνης, δονήσεων κτλ.  

Η ονομαστική απόσταση ανίχνευσης Sn δίνεται από τον κατασκευαστή σε εργαστηριακό περιβάλλον.
Ανάλογα όμως με τις περιβαντολογικές συνθήκες αυτή η απόσταση μειώνεται ανάλογα με:

Το υλικό ανίχνευσης (συντελεστής Kq)
Τη θερμοκρασία (συντελεστής Km)
Τις διαστάσεις του προς ανίχνευση αντικειμένου (συντελεστής Kd)
Τις μεταβολές της τάσης (συντελεστής Kf)

Η εγγυημένη λοιπόν απόσταση ανίχνευσης  Sa δίνεται από τον τύπο:

Sa=Sn*Kq*Km*Kd*Kf

Οι συντελεστές δίνονται από πίνακες  των εταιρειών

Χωρητικός Αισθητήρας Προσέγγισης (Capacitive Proximity Sensor)

 Οι χωρητικοί αισθητήρες προσέγγισης ανιχνεύουν τα αντικείμενα ανίχνευσης λόγω της ικανότητας του συγκεκριμένου αντικειμένου να φορτίζεται ηλεκτρικά. Οι χωρητικοί αισθητήρες εφαρμόζουν τάση σε μια περιοχή και ανιχνεύουν αντικείμενα με τη μέτρηση των αλλαγών σε μια ηλεκτρική ιδιότητα που ονομάζεται χωρητικότητα, η οποία είναι η ικανότητα ενός σώματος να αποθηκεύσει το ηλεκτρικό φορτίο. Δεδομένου ότι ακόμη και μη-αγωγοί μπορούν να αποθηκεύσουν φορτία, αυτό σημαίνει ότι σχεδόν οποιοδήποτε αντικείμενο (μέταλλα, ξύλο, πλαστικό, γυαλί, χαρτόνι, δέρμα, κεραμικά, υγρά κ.λπ.) μπορεί να ανιχνευθεί με αυτόν τον τύπο αισθητήρα.

 Τα χαρακτηριστικά του χωρητικού αισθητήρα είναι τα ίδια με αυτά του επαγωγικού αισθητήρα.

Ο χωρητικός αισθητήρας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση αντικειμένων

Οι χωρητικοί αισθητήρες ελέγχουν το γέμισμα του σιλό

Η ονομαστική απόσταση ανίχνευσης Sn δίνεται από τον κατασκευαστή σε εργαστηριακό περιβάλλον.
Ανάλογα όμως με τις περιβαντολογικές συνθήκες αυτή η απόσταση μειώνεται ανάλογα με το υλικό ανίχνευσης (πετρέλαιο, πολυεστέρας, λάδι, νερό, ζάχαρη κ.λ.π) με το συντελεστή Fc

Η εγγυημένη λοιπόν απόσταση ανίχνευσης  Sa δίνεται από τον τύπο:

Sa=Sn*Fc

Ο συντελεστής δίνεται από πίνακες  των εταιρειών

Μαγνητικοί αισθητήρες

Οι μαγνητικοί διακόπτες χρησιμεύουν στα συστήματα ελέγχου για την ανίχνευση της θέσης εξ αποστάσεως και χωρίς φθορές. Χρησιμοποιούνται εκεί όπου δεν αντέχουν οι επαγωγικοί διακόπτες προσέγγισης. Καθώς τα μαγνητικά πεδία διαπερνούν και όλα τα μη μαγνητιζόμενα υλικά, οι αισθητήρες μπορούν να αναγνωρίζουν μαγνήτες διαμέσου τοιχωμάτων π.χ. από μη σιδηρούχα μέταλλα, χάλυβα, αλουμίνιο, πλαστικό ή ξύλο.

Ποια τα πλεονεκτήματα – μειονεκτήματα  του  χωρητικού  αισθητήρα  προσέγγισης  από  τον  επαγωγικό  και  σε  ποια  περίπτωση   θα   προτιμηθεί  ο  χωρητικός  αισθητήρας  έναντι  του  επαγωγικού.      

Πλεονεκτήματα χωρητικού αισθητήρα:

1) Έχουν καλή ευαισθησία

2) Μπορούν να ανιχνεύσουν μικρές μετατοπίσεις σε ειδικές εφαρμογές, π.χ., μέτρηση μηχανικής φθοράς αντικειμένων

3) Ενεργοποιείται  από   αγώγιμα   και   μη  αγώγιμα   υλικά( μη μεταλλικά)

4) Έχουμε δυνατότητα αύξησης της χωρητικότητας του πυκνωτή αυξάνοντας την ποσότητα του διηλεκτρικού

Μειονεκτήματα χωρητικού αισθητήρα:

1) Ανιχνεύουν και αντικείμενα που δε μας ενδιαφέρουν

2) Μπορεί να ενεργοποιηθούν και από σκόνη στο περιβάλλον τους.

Πλεονεκτήματα επαγωγικού αισθητήρα:

1) Προστασία από ανάστροφη πόλωση

2) Προστασία από βραχυκύκλωμα

3) Προστασία από στιγμιαίες υπερτάσεις

4) Μεγάλη διάρκεια ζωής

5) Δε χρειάζονται συντήρηση

6) Επειδή ενεργοποιούνται μόνο από μέταλλο και δεν επηρεάζονται από υγρασία, σκόνη, βρωμιά και παρόμοια, μπορούν να τοποθετηθούν και σε αντίξοες συνθήκες λειτουργίας, όπως είναι η παρουσία υγρών, σκόνης, κ.τ.λ.

Για γενικές εφαρμογές, οι χωρητικοί αισθητήρες προσέγγισης δεν είναι εναλλακτική λύση αλλά συμπλήρωμα των επαγωγικών αισθητήρων προσέγγισης. Αποτελούν συμπλήρωμα όταν δεν υπάρχει μέταλλο για την ενεργοποίηση ( π.χ. για μηχανήματα επεξεργασίας ξύλου και για προσδιορισμό της ακριβούς στάθμης υγρών ή για σκόνες).

Βαθμίδα εξόδου αισθητήρα

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.

Αισθητήρες με έξοδο ρελέ 3 αγωγών

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
 

Αισθητήρες με έξοδο ρελέ 2 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

Αισθητήρες με έξοδο τρανζίστορ 3 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.

Αισθητήρες με έξοδο τρανζίστορ 4 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

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