В промышленной электронике индуктивные, оптические и другие датчики применяются очень широко. Долго и постоянно имею с ними дело и вот решил написать статью, поделиться знаниями. Статья будет обзорной (если хотите, научно-популярной).
Виды датчиков
Итак, что вообще такое датчик. Датчик — это устройство, которое выдаёт определённый сигнал при наступлении какого-либо определённого события. Иначе говоря, датчик при определённом условии активируется и на его выходе появляется аналоговый (пропорциональный входному воздействию) или дискретный (бинарный, цифровой, т.е. два возможных уровня) сигнал.
Точнее можем посмотреть в Википедии: Датчик (сенсор, от англ. sensor) — понятие в системах управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.
Там же и много другой информации, но у меня своё, инженерно-электронно-прикладное, видение вопроса.
Датчиков бывает великое множество. Перечислю лишь те, с которыми приходится сталкиваться электрику и электронщику.
Индуктивные. Активируется наличием металла в зоне срабатывания. Другие названия — датчик приближения, датчик присутствия, индуктивный выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. Смысл один, и не надо путать. По-английски пишут «proximity sensor».
Оптические. Другие названия — фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический выключатель. Такие применяются и в быту, называются «датчик освещённости»
Емкостные. Срабатывает на наличие практически любого предмета или вещества в поле активности.
Давления. Давления воздуха или масла нет — сигнал на контроллер или рвёт аварийную цепь.
Концевые выключатели (электрический датчик). Это обычный пассивный выключатель, который срабатывает, когда на него наезжает или давит объект.
Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами.
Пока хватит, перейдём к теме статьи.
Принцип работы индуктивного датчика
Индуктивный датчик является дискретным. Сигнал на его выходе появляется, когда в заданной зоне присутствует металл.
В основе работы датчика приближения лежит генератор с катушкой индуктивности. Отсюда и название. Когда в электромагнитном поле катушки появляется металл, это поле резко меняется, что влияет на работу схемы.
Поле индуктивного датчика. Металлическая пластина меняет резонансную частоту колебательного контура
И схема, содержащая компаратор, выдаёт сигнал на ключевой транзистор или реле. Нет металла — нет сигнала.
Схема индуктивного датчика. Приведена функциональная схема, на которой: генератор с колебательным контуром, пороговое устройство (компаратор), выходной транзистор NPN, защитные стабилитрон и диоды
Большинство картинок в статье — не мои, в конце можно будет скачать источники.
Применение индуктивного датчика
Индуктивные датчики приближения применяются широко в промышленной автоматике, чтобы определить положение той или иной части механизма. Сигнал с выхода датчика может поступать на вход контроллера, преобразователя частоты, реле, пускателя, и так далее. Единственное условие — соответствие по току и напряжению.
Работа индуктивного датчика. Флажок движется вправо, и когда достигает зоны чувствительности датчика, датчик срабатывает
Кстати, производители датчиков предупреждают, что не рекомендуется подключать непосредственно на выход датчика лампочку накаливания. О причинах я уже писал — ток при включении лампы значительно превышает номинальный.
Виды индуктивных датчиков
Чем отличаются датчики.
Почти всё, что сказано ниже, относится не только к индуктивным, но и к оптическим и ёмкостным датчикам.
1. Конструкция, вид корпуса
Тут два основных варианта — цилиндрический и прямоугольный. Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса — металл (различные сплавы) или пластик.
2. Диаметр цилиндрического датчика
Основные размеры — 12 и 18 мм. Другие диаметры (4, 8, 22, 30 мм) применяются редко.
Чтобы закрепить датчик 18 мм, нужны 2 ключа на 22 или 24 мм.
3. Расстояние переключения (рабочий зазор)
Это то расстояние до металлической пластины, на котором гарантируется надёжное срабатывание датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние — от 0 до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм — до 4 и 8 мм, для крупногабаритных датчиков — до 20…30 мм.
4. Количество проводов для подключения
Подбираемся к схемотехнике.
2-проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки.
2-проводный датчик. Схема включения
Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением — не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность. Можно вообще не думать, как их подключать.
3-проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один — для нагрузки. Подробнее расскажу отдельно.
4- и 5-проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод — выбор режима работы или состояния выхода.
5. Виды выходов датчиков по полярности
У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента:
Релейный. Тут всё понятно. Реле коммутирует необходимое напряжение либо один из проводов питания. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка от схемы питания датчика, что является основным достоинством такой схемы. То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением. Используется в основном в крупногабаритных датчиках.
Транзисторный PNP. На выходе — транзистор PNP, то есть коммутируется «плюсовой» провод. К «минусу» нагрузка подключена постоянно.
Транзисторный NPN. На выходе — транзистор NPN, то есть коммутируется «минусовой», или нулевой провод. К «плюсу» нагрузка подключена постоянно.
Можно чётко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод и коммутируется. Другой провод подключен к нагрузке постоянно.
Ниже будут даны схемы включения датчиков, на которых будет хорошо видно эти отличия.
6. Виды датчиков по состоянию выхода (НЗ и НО)
Какой бы ни был датчик один из основных его параметров — электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).
Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание) либо выключен. Соответственно, говорят — нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт либо нормально открытый (НО) контакт. В иностранной аппаратуре — NO и NC.
То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков — то, что их может быть 4 разновидности в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода:
- PNP NO
- PNP NC
- NPN NO
- NPN NC
Контакты датчиков также могут быть с задержкой включения или выключения. Про такие контакты также сказано в статье про приставки выдержки времени ПВЛ. А почему датчики, отвечающие за безопасность, должны быть обязательно с НЗ контактами — см. статью про Цепи безопасности в промышленном оборудовании.
7. Положительная и отрицательная логика работы
Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле).
ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ или ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.
ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ логика: вход контроллера активизируется (логическая «1») при подключении к ЗЕМЛЕ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В=. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.
ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика: вход активизируется при подключении к +24 В=. Клемму контроллера S/S необходимо соединить с ЗЕМЛЕЙ. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.
Хотя, это не строгие правила (положительная — pnp, отрицательная — npn). Существуют варианты различных устройств и подключения к ним датчиков, спрашивайте в комментариях, вместе подумаем.
Схемы включения датчиков
Выше были описаны возможные варианты выходов датчиков, ниже даны схемы подключения датчиков.
PNP выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к «минусу» (0V)
NPN выход датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к «плюсу» (+V)
На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.
Схемы включения NPN и PNP выходов датчиков
На левом рисунке — датчик с выходным транзистором NPN. Коммутируется общий провод, который в данном случае — отрицательный провод источника питания.
Справа — случай с транзистором PNP на выходе. Этот случай — наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.
На принципиальных схемах индуктивные датчики обозначают по разному. Но главное — присутствует квадрат, повёрнутый на 45° и две вертикальные линии в нём. Как на схемах, изображённых ниже.
НО НЗ датчики. Принципиальные схемы
На верхней схеме — нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема — нормально закрытый, и третья схема — оба контакта в одном корпусе.
Цветовая маркировка выводов датчиков
Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются её.
Однако, нелишне перед монтажом убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.
Вот эта маркировка.
Синий (Blue) — Минус питания
Красный (Brown) — Плюс
Чёрный (Black) — Выход
Белый (White) — второй выход, или вход управления, надо смотреть инструкцию.
Система обозначений индуктивных датчиков
Тип датчика обозначается цифро-буквенным кодом, в котором зашифрованы основные параметры датчика. Ниже приведена система маркировки популярных датчиков Autonics.
Система обозначений датчиков Autonics
Скачать инструкции и руководства на некоторые типы индуктивных датчиков:
- Autonics_PR / Индуктивные датчики приближения. Подробное описание параметровэ, pdf.
- Autonics_proximity_sensor / Каталог датчиков приближения Autonics, pdf.
- Omron_E2A/ Каталог датчиков приближения Omron, pdf.
- ТЕКО_Таблица взаимозаменяемости выключателей зарубежных производителей / Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf.
- Turck_InduktivSens / Датчики фирмы Turck, pdf.
- pnp npn / Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar.
Источник: Александр/СамЭлектрик.ру
