Фотоэлемент, что это такое, применение фотоэлемента в загородном доме, полезные советы

Быстрое развитие технического прогресса позволило внести элементы автоматизации в наш повседневный быт и тем самым сделало жизнь более комфортной. Средства автоматики в большей или меньшей степени используются в городских квартирах, на дачах, и, особенно, в частных домовладениях.

Что такое фотоэлемент, сфера их применения

В данной статье рассказывается о возможных вариантах применения устройств именно с фотоэлементами, однако при установке приборов автоматики и сигнализации в доме и на участке необходимо комплексное использование устройств различного типа.

В системах автоматизации, сигнализации, наблюдения и контроля применяются датчики всевозможных типов: герконовые, резистивные, емкостные, индуктивные, термические, сенсорные, контактные, микроволновые и многие другие, однако чаще всего используются датчики, включающие в себя фотоэлементы.

Фотоэлементами являются электронные устройства, преобразующие энергию фотонов света в электрическую энергию. Первый фотоэлемент был создан российским физиком Александром Столетовым почти сто тридцать лет назад. С тех пор кардинально изменилась элементная база и устройство прибора, однако принцип работы остается прежним. Фотоэлементы можно разделить на два типа: электровакуумные и полупроводниковые, причем в настоящее время вакуумные фотоэлементы оказались почти вытесненными из-за относительно больших габаритов и низкого КПД, однако они продолжают использоваться, например, в зонах с высоким ионизирующим излучением, где полупроводники не могут работать.

К фотоэлементам относятся самые различные приборы, начиная от простых фотодиодов и фототранзисторов и заканчивая светочувствительными матрицами фото- и видеотехники. Солнечные фотоэлементы, иначе называемые солнечными батареями, также принадлежат к этому большому классу устройств и служат для электропитания разнообразной техники.

Фотоэлементы нашли широкое применение в самых разных сферах деятельности человека. На их основе построены датчики движения и датчики присутствия, датчики уровня освещенности, дымовые извещатели, фотоэлементы используются для считывания информации с оптических дисков и штрих-кодов на товарах, управляют поднятием шлагбаума и подсчитывают количество прошедших людей или проехавших автомобилей, контролируют перемещение компьютерной мыши, головки принтера, инструмента в станках с ЧПУ.

Фотоэлементы могут работать, например, в турникетах для предотвращения прохода в обратном направлении, для отключения механизмов на производстве при попадании работника в опасную зону, для индикации о нахождении человека в пределах контролируемой территории, в бытовой и прочей технике для приема команд с пультов дистанционного управления, и это не полный перечень «профессий» фотоэлементов.

Применение фотоэлементов в частном доме

Из производственной сферы фотоэлементы постепенно распространились на сферу бытовую. Существует множество областей применения фотоэлементов, помогающих улучшить комфорт и качество жизни, и большая часть из них может с успехом использоваться в городском или загородном частном доме.

охранная сигнализация

Каждый владелец личного участка старается оградить себя от непрошенных гостей. Для предотвращения проникновения посторонних лиц используется охранная сигнализация, отдельные элементы которой построены на базе фотоэлементов. Очень часто в охранной системе используются датчики движения, которые определяют присутствие человека и включают сирены, световые приборы или подают сигнал тревоги на пульт. Основой инфракрасного датчика движения является пироприемник, и при появлении человека в зоне действия датчика тепловой сигнал от него с помощью специальных линз фокусируется на чувствительных элементах.

Чувствительность приемника такова, что он может определить разницу температуры объекта и фона в десятые доли градуса. Существуют более чувствительные устройства, которые имеют незначительные конструктивные особенности и называются датчиками присутствия.

Реже в охранной сигнализации используются фотоэлектрические датчики, которые имеют в своем составе излучатель и приемник. Модулированный инфракрасный или красный световой сигнал от излучателя попадает в приемник. При появлении объекта между передатчиком и приемником выдается тревожный сигнал. В зависимости от принципа построения различается три типа фотоэлектрических датчиков:

• барьерные, когда луч от излучателя падает непосредственно на приемник;
• рефлекторные, когда луч от излучателя отражается световозвращателем, после чего попадает в приемник;
• диффузионные, когда луч передатчика падает на объект и далее отраженным светом попадает на приемник.

Первые два типа датчиков реагируют на прерывание луча, третий – на отражение света от объекта. Так как используется только один луч, то такие датчики называются однолучевые.

Производители выпускают как однолучевые датчики, так и собранные в линейку многолучевые системы, называемые световыми барьерами. Они не предотвращают, а только контролируют пересечение объектом границы, определенной лучами барьера.

При установке поверх забора нескольких комплектов световых барьеров с зеркалами для изменения направления лучей можно взять под наблюдение всю огороженную территорию частного участка. В продаже имеется огромное количество типов однолучевых датчиков и световых барьеров, например: SLSR 25B, SLS 318, SLSR 46B, MLD 300, MLD 500 и многие другие.

видеонаблюдение

Светочувствительная матрица камеры видеонаблюдения – наиболее сложный из рассматриваемых фотоэлементов. Она является основной частью камеры и предназначена для преобразования сфокусированного на нее изображения в электрический сигнал, который впоследствии преобразовывается в графическое изображение на экране монитора.

Камеры видеонаблюдения отличаются по назначению, конструкции, параметрам и делятся на следующие типы:

• по выходному сигналу – аналоговые и цифровые;
• по цветности получаемого изображения – черно-белые и цветные;
• по конструкции – модульные (бескорпусные), корпусные, купольные, миниатюрные;
• по степени защищенности – обыкновенные и антивандальные;
• по месту установки – наружные и внутренние;
• по способу передачи сигнала – проводные и беспроводные;
• по возможности изменения направления – неподвижные и управляемые (поворотные);
• по типу объектива – с постоянным и переменным фокусным расстоянием;
• по управлению изменением фокусного расстояния – с ручным и дистанционным управлением;
• по защищенности от погодных условий – в обычном исполнении и в термобоксе с подогревом и т.д.

Видеокамера преобразует изображение в электрический сигнал. В простейшем случае сигнал поступает на экран монитора для просмотра хозяином дома или членами его семьи. При наличии соответствующего оборудования может осуществляться сохранение сигнала на записывающее устройство. Запись видеосигнала возможна эпизодическая, т.е. только при обнаружении изменения картинки в кадре, или постоянная. При использовании накопителей информации изображение может храниться нужное время. Камеры могут устанавливаться самостоятельно или объединяться с элементами систем охранной сигнализации или доступа.

Описание, подбор и особенности установки видеокамер является довольно обширной темой и поэтому заслуживает отдельной статьи.

система доступа

Домофон является устройством, которое служит для ведения переговоров с посетителями и обеспечения их пропуска на какую-либо закрытую территорию. Он позволяет на расстоянии вести разговоры с людьми, которые находятся у закрытой калитки забора или у дверей дома. С помощью обычного домофона можно слышать прибывших гостей, а с помощью видеодомофона – еще и видеть их. При необходимости хозяин одним нажатием кнопки может отпереть электромеханический замок и впустить гостей.

В составе видеодомофона используется светочувствительная матрица, аналогичная матрицам камер видеонаблюдения.

В базовый комплект видеодомофона входит:

• основная панель с видеомонитором (может называться видеодомофоном), устанавливаемая в прихожей или любом другом удобном месте;
• вызывная панель с миниатюрной видеокамерой, закрепляемая у калитки или входной двери;
• электромеханический замок на калитке или двери, отпираемый встроенным электромагнитом или электродвигателем.

Так как калитка или двери могут случайно остаться открытыми, рекомендуется оборудовать их автоматическим доводчиком, который не входит в состав комплекта домофона.

Видеодомофонные системы постоянно совершенствуются, и выпускается множество их видов в самой различной комплектации с различными техническими характеристиками. Они могут быть черно-белые или цветные, проводные или беспроводные, в том числе и IP-системы, в простом или антивандальном исполнении вызывной панели. В комплект может входить несколько вызывных панелей, устанавливаемых, например, у различных калиток или же у калитки и у входной двери. Самих основных блоков с мониторами также может быть несколько, чтобы было удобно пользоваться домофоном из различных помещений.

Современные модели видеодомофонов могут вписаться в любой интерьер, и при этом обладать следующими дополнительными функциями:

• наличие большого жидкокристаллического дисплея высокого разрешения;
• наличие встроенного многоканального цифрового видеорегистратора;
• сохранение во встроенную память или на SD-карту фотоснимков посетителя, сделанных им же самим при нажатии кнопки вызова;
• работа в режиме видеорегистратора постоянно или при возникновении движения в зоне действия видеокамеры;
• просмотр записанного изображения на дисплее;
• подключение нескольких внешних видеокамер и датчиков движения;
• подключение дополнительных мониторов с высоким разрешением;
• управление поворотными видеокамерами;
• наличие встроенного автоответчика;
• наличие в камере встроенной инфракрасной подсветки;
• передача вызова на мобильный телефон;
• работа в режиме квадратора при подключении нескольких вызывных панелей;
• подключение телефонной линии;
• подключение внешнего жесткого диска для хранения видео- и фотофайлов, снятых камерами домофона;
• подключение к домофону телефонных трубок стандарта DECT;
• наличие Wi-Fi и Ethernet-порта;
• дистанционное подключение к камерам через Интернет, в том числе через смартфон;
• работа основного блока в режиме фоторамки и другие.

пожарная сигнализация

Пожарная сигнализация предназначена для предупреждения о возникновении пожара. В качестве элементов сигнализации применяются различные виды автоматических пожарных извещателей, отличающиеся, в том числе, и принципом работы. Среди извещателей имеются приборы, работающие с использованием фотоэлементов, так называемые оптические дымовые извещатели. В их составе присутствует оптоэлектронная пара – светодиод и фотодиод, защищенные от воздействия внешнего света. Они размещены таким образом, что свет, излучаемый светодиодом, не падает непосредственно на фотодиод. В случае же возникновении пожара отраженный от частиц дыма свет попадает на фотодиод и вызывает срабатывание пожарной сигнализации. Существует другой тип дымового извещателя, у которого между элементами оптопары существует оптическая связь. При пожаре образовавшийся дым создает помеху лучу от светодиода, в результате формируется сигнал пожарной тревоги.

Оптические извещатели обладают высокой чувствительностью и надежностью, в связи с чем чаще всего устанавливаются в домашних хозяйствах. К сбою в работе извещателя может привести большое количество пыли, поэтому необходимо своевременно проводить его чистку.

Выпускаются модели автономных дымовых извещателей, отличающихся наличием батарейки и сиреной. Отсутствие проводов позволяет очень быстро любое помещение оборудовать пожарной сигнализацией.

В качестве дымовых оптических извещателей можно использовать ИП 212-50М2 (ДИП-50М2), ИП 212-112, ИП 212-142, ИПД-3.4М и другие.

управление освещением

Жизнь человека в темноте немыслима, поэтому очень важно иметь качественное освещение, а еще лучше – если освещение будет удобным, экономичным и включаться в нужном месте и в нужное время.

Часто можно наблюдать картину нерационального расходования электроэнергии: на улице светит солнце, и при этом горят лампы освещения. Чтобы такого не происходило, можно установить фотореле, которое с помощью встроенного фотоэлемента для уличного освещения отслеживает естественную освещенность и включает наружные светильники при наступлении сумерек или темноты, и отключает его, когда на улице становится светло. Фотореле имеет регулятор, которым устанавливается порог срабатывания. Примером фотореле данного типа может быть, например, реле ФБ-2М, ФР-601, ФР-602, ABB TW-1, ST301, LXP-01, LXP-02, LXP-03 и многие другие. Реле в основном отличаются мощностью подключаемой нагрузки. Если есть желание поливать в ночное время траву на газоне, то можно в качестве нагрузки вместо лампы или же вместе с ней включить электрический насос или электромагнитный клапан, открывающий и закрывающий подачу воды.

Если нет необходимости, чтобы лампы светили постоянно в темное время суток, а зажигались лишь при приближении к ним человека, то можно воспользоваться фотореле с инфракрасным или фотоэлектрическим датчиком движения. В данном приборе имеется два встроенных фотодатчика: отслеживающих появление в зоне наблюдения объекта, излучающего инфракрасные, т.е. тепловые лучи, и естественную освещенность. Как правило, данные приборы имеют регулятор установки порога чувствительности на излучение объекта, регулятор порога включения и отключения при изменении наружной освещенности и регулятор времени отключении при пропадании активности объекта в пределах контролируемой зоны. В качестве фотореле с датчиком движения можно предложить для установки FR-135, Camelion LX-08, Camelion LX-28A, Camelion LX-39, Camelion LX-118, Feron SEN20 и другие.

В помещениях для автоматического включения света при появлении человека и выключения при его уходе может применяться фотореле, которое по размерам соответствует обычному выключателю освещения и устанавливается вместо него.

Выпускается также фотореле с датчиком движения в корпусе патрона-переходника с регулировками времени отключения и порогом срабатывания. В аналогичном корпусе производится фотореле со встроенными датчиком освещенности и датчиком звука, которое включает питание на осветительную лампу в темноте при появлении звука.

Для подсветки придомовой территории в летнее время с успехом применяется садовый светодиодный светильник с солнечной батареей и аккумулятором. В таком светильнике солнечный фотоэлемент – выключатель и включатель освещения, и одновременно источник электроэнергии для заряда встроенного аккумулятора. Днем солнечный свет, попадающий на батарею, преобразуется в электрический ток и заряжает аккумулятор, а в темное время суток аккумулятор отдает свой заряд светодиоду, подсвечивающему садовую дорожку. Выпускается похожий по конструкции вибрационно-звуковой отпугиватель земляных грызунов, в котором вместо светодиода встроен акустический генератор для отпугивания кротов, мышей, медведок и других вредителей.

холодное и горячее водоснабжение

Значительную экономию воды может дать использование водопроводного крана с фотодатчиком. Такой кран имеет встроенные светодиод, фотодиод и электромагнитный клапан. Отраженный от рук свет попадает на фотоэлемент, который дает команду на открытие клапана; при удалении рук клапан закрывается, перекрывая подачу воды. К недостаткам такого крана можно отнести необходимость подачи электропитания для работы схемы крана.

обогрев и кондиционирование

Зачастую в отсутствии людей в помещении вхолостую длительное время работает кондиционер или обогреватель. Более экономно расходовать электроэнергию поможет датчик движения, который будет отслеживать присутствие человека и давать команду климатическим устройствам на изменение параметров работы.

автоматические ворота и автоматический шлагбаум

Для того, чтобы можно было не выходя из автомобиля открыть ворота и припарковаться у крыльца дома или прямо в гараже, существуют автоматические въездные или гаражные ворота. Производится несколько основных видов ворот: откатные, распашные, секционные, рулонные, подъемно-поворотные. Каждые имеют свою конструкцию, достоинства и недостатки. Все эти ворота объединяет одно – их работа автоматизирована и управляются они, как правило, с пульта дистанционного управления. Автоматика ворот позволяет программировать скорость движения, включение и выключение плавного запуска и остановки, скорость в конце открывания и закрывания, время задержки автоматического закрывания, включение звукового сигнала и некоторые другие функции.

Механизмы всегда являлись источником повышенной опасности. В зону действия ворот может попасть человек или животное, да и сам автомобиль по различным причинам может оказаться поврежденным воротами или шлагбаумом. Для обеспечения безопасности ворота и шлагбаум оборудуются специальными устройствами, блокирующими электропривод в случае, если машина или человек находятся в непосредственной близости от движущихся элементов конструкции. Именно фотоэлементы для ворот и фотоэлементы для шлагбаума дают команду на автоматическую остановку движения и тем самым помогают полностью исключить травмирование людей и повреждение транспорта. Для безопасной эксплуатации рекомендуется дополнительно устанавливать несколько пар фотоэлементов.

В качестве элементов автоматики для обеспечения безопасности ворот и шлагбаумов с успехом применяются фотоэлементы DoorHan, фотоэлементы Nice и другие.

Российская многопрофильная компания DoorHan для загородных и городских участков с малоэтажными домами выпускает рольставни, рольворота, стальные двери, системы ограждения, ворота, шлагбаумы, а также автоматику для них. Компания работает более двадцати лет и является лидером в России в этой области.

Итальянская компания Nice создана на начале 90-х годов, продукция компании продается в ста с лишним странах мира, на российском рынке известна с 2008 года, в настоящее время является лидером в мире по продуктам автоматизации дома. Nice с большим успехом реализует свои самые инновационные технологии и революционные дизайнерские решения, в том числе в области автоматизации въездных и гаражных ворот.

энергоснабжение

Солнечные батареи представляют собой фотоэлементы, напрямую преобразующие солнечную энергию в постоянный электрический ток. При соединении большого количества элементов можно получить значительную выходную мощность, достаточную для питания электрооборудования всего домашнего хозяйства.

Однако надо учитывать, что солнечные батареи вырабатывают электроэнергию только когда светит солнце, причем максимальная отдача панелей достигается в ясную погоду летом в полдень при размещении панелей строго перпендикулярно падающим солнечным лучам. Чем ниже солнце над горизонтом – тем меньше вырабатывается электроэнергии. Пасмурная погода также сильно влияет на выходную мощность батарей. Чтобы в темное время не остаться без электропитания, стоит либо предусмотреть переключение питания домашних электрических приборов на стационарную электросеть, либо в дополнение к солнечным установить аккумуляторные батареи. Днем солнечные батареи будут питать электроприборы и заряжать аккумуляторы, а ночью аккумуляторы станут отдавать свою энергию потребителям.

Аккумуляторы на выходе имеют постоянное напряжение и, чтобы можно было от них питать домашнюю технику или другое оборудование, потребуется приобретение инвертора, преобразующего постоянное напряжение от солнечных панелей в переменное 220 В с частотой 50 Гц, а также контроллера, следящего за правильной зарядкой аккумуляторных батарей.

Таким образом, солнечные батареи позволят платить меньше за электроэнергию, но потребуются значительные затраты на приобретение солнечных батарей, аккумуляторов, контроллера, инвертора и монтажных элементов. Сроки окупаемости комплекта строго индивидуальны и зависят от устанавливаемого оборудования, потребляемой мощности, географической широты, погоды, цены на электроэнергию в данном регионе и многих других факторов. Они могут составлять до десяти с лишним лет. Установка солнечных батарей в любом случае будет иметь смысл, если имеются сложности с подключением дома к стационарной электросети.

Полезные советы:

• чтобы не было ложного срабатывания, фотореле необходимо устанавливать в месте, доступном для естественных лучей света, но вне зоны действия искусственного освещения, перед реле не должно быть движущихся предметов, например, веток деревьев;
• при выборе фотореле необходимо следить, чтобы подключаемая нагрузка соответствовала расчетной мощности реле;
• датчик движения должен быть установлен таким образом, чтобы на него не падали прямые лучи света от солнца или лампы;
• перед датчиком движения не должно находиться стекло, так как оно является препятствием для инфракрасных лучей;
• для сигнализации необходимо предусмотреть резервирование питания на случай пропадания основного источника;
• установленные на видном месте видеокамеры могут оказать психологическое воздействие на потенциального злоумышленника;
• в случае использования беспроводных устройств с автономным питанием перед наступлением зимнего периода рекомендуется установить новые элементы питания;
• наружные датчики необходимо устанавливать таким образом, чтобы они были защищены от воздействия атмосферных осадков, механических повреждений и доступа посторонних лиц;
• не стоит устанавливать датчики с фотоэлементами рядом с такими мощными источниками тепла, как печи, камины, радиаторы отопления и т.д.;
• оптические дымовые извещатели не рекомендуется размещать в гаражах, возле печей, рядом с вентиляторами, во влажных и запыленных помещениях.