Фотореле с нестандартным алгоритмом и функцией таймера.
Аннотация. В статье рассмотрен улучшенный вариант фотореле, полностью исключающий ложные срабатывания от посторонних засветок и необходимость оптической изоляции фотодатчика. Автомат дополнен функциями защиты лампы накаливания и регулятора мощности, что обеспечивает значительное увеличение её срока службы.
Общие сведения. Известные автору схемотехнические решения фотореле с классическим (стандартным) алгоритмом требуют оптической изоляции фотодатчика посредством расположения фотодиода на удалении от коммутируемой лампы, что требует дополнительной проводки. Кроме того, недостатком классических фотореле являются ложные срабатывания от посторонних засветок (при блеске молнии, засветке фарами автомобиля и т.п.), что также является большим недостатком и значительно ухудшает технико-эксплуатационные характеристики устройства.
Предлагаемый вниманию читателей вариант фотореле с нестандартным алгоритмом полностью свободен от перечисленных недостатков, благодаря реализации функции таймера. Как и две базовые версии, рассмотренные в [1] и [2], данное фотореле работает в циклическом режиме с интервалом отсчёта 20…30 мин, при котором лампа кратковременно (на десятые доли секунды) погасает и включается вновь при условии, если уровень внешней освещённости оказывается ниже заданного порога. По сравнению с базовой версией [1], предназначенной для работы со светодиодной лампой, а также её усовершенствованным вариантом [2], предназначенным для работы с лампой накаливания, в данном варианте фотореле значительно увеличена чувствительность фотодатчика за счёт более высоковольтного питания фотодиода (15 В вместо 5 В), а также добавлена схема супервизора питания, улучшающая сброс таймера в исходное состояние и полностью исключающая ложное 20-минутное включение в светлое время суток, в случае длительных провалов напряжения в питающей сети.
В отличие от известных конструкций фотореле, данный вариант дополнен функциями защиты (плавного включения) лампы накаливания и регулятора яркости, что является особенно актуальным в вечерние часы, когда число потребителей уменьшается, и напряжение в сети возрастает. Известно, что лампа выходит из строя в большинстве случаев именно в момент включения, ещё не исчерпав свой рабочий ресурс, вследствие большого броска тока, амплитудное значение которого может достигать нескольких ампер. Происходит это из-за того, что сопротивление холодной нити в несколько раз меньше, чем в нагретом состоянии. Поэтому бросок тока большой амплитуды приводит к быстрому разрушению нити лампы накаливания. Также замечено, что если эксплуатировать лампу не на максимальной паспортной мощности в 100 процентов, а несколько снизив её до 70…80 процентов, за счёт встроенного регулятора яркости, то можно добиться значительного увеличения срока службы лампы накаливания. Предлагаемое фотореле монтируется в корпусе светильника. При этом излучение коммутируемой лампы должно падать непосредственно на фотодиод для нормальной работы устройства.
Схема электрическая принципиальная. Схема электрическая фотореле показана на рис.1 . Фотореле содержит :
· стабилизатор и фильтр питания на элементах R 1, R 2, VD 2… VD 4, DA 1, С1… C 3;
· схему защиты и фазовый регулятор яркости на элементах DD 1.1… DD 1.4, VT 1, VD 5… VD 7, C 4… C 7, R 7… R 13;
· фотодиодный усилитель на транзисторах VT 3, VT 4;
· супервизор питания на транзисторах VT 5… VT 7;
· две RC -цепочки сброса на элементах R 17, C 8 и R 31, C 9;
· генератор прямоугольных импульсов на основе триггера Шмитта DD 2.4;
· счётчик-делитель на 2048 на ИМС DD 3;
· ключевой транзистор VT 2 и коммутирующий симистор VS 1.
При первом включении питания в светлое время суток фотореле включает лампу на 2 секунды, а затем переходит в режим ожидания до момента снижения уровня освещённости до заданного порога. При включении в темное время суток лампа также включается на 2 секунды, но затем фотореле переходит в нормальный рабочий режим с интервалом отсчёта таймера 20 минут, до момента возрастания внешней освещённости до заданного порога.
Рассмотрим работу фотореле, считая, что оно было первоначально включено в светлое время суток. В начальный момент времени конденсаторы C 8, С9 разряжены. При подключении к сети, питающее напряжение на выходе стабилизатора появляется не мгновенно, а нарастает от 0 до 15В в течение десятых долей секунды. В это время срабатывает супервизор, собранный на транзисторах VT 5… VT 7, который формирует короткий отрицательный импульс, при изменении питающего напряжения в пределах 1,5…10 В. Такой же отрицательный импульс формируется на выходе супервизора (на коллекторе VT 5) и при снижении питающего напряжения от 10 до 1,5 В. В этом промежутке изменения питающих напряжений на выходе элемента DD 2.1 поддерживается уровень лог.«1». Конденсаторы C 8 и C 9 остаются разряженными, благодаря току через диоды VD 9 и VD 10. После достижения питающим напряжением уровня 10В и выше транзистор VT 7 супервизора открывается, а VT 6 и VT 5 закрываются. Диоды VD 9 и VD 10 закрываются и на дальнейшую работу схемы влияния не оказывают. Конденсатор C 8 начинает заряжаться через резистор R 17, а левая по схеме обкладка конденсатора C 9 оказывается подключенной к напряжению источника питания через резистор R 26. Теперь конденсатор C 9 начинает заряжаться через резистор R 31 и на его правой по схеме обкладке формируется короткий импульс положительной полярности, который сбрасывает счётчик DD 3 в исходное нулевое состояние.
На выходе старшего разряда счётчика DD 3 появляется уровень лог.«0», который разблокирует генератор на элементе DD 2.4. На счётном входе счётчика появляются прямоугольные импульсы, увеличивающие его состояние. Светодиод HL 1 при этом светится постоянно. Одновременно уровень лог.«0» через резистор R 8 постепенно заряжает конденсатор C 4, что приводит к открыванию транзистора VT 1 и плавному зажиганию лампы накаливания.
Работой лампы накаливания управляет фазоимпульсный регулятор яркости, собранный на ИМС DD 1. На элементах DD 1.1 и DD 1.2 собран одновибратор, формирующий из коротких отрицательных импульсов с частотой 100 Гц, снимаемых с диода VD 2, короткие отрицательные, но уже прямоугольные импульсы необходимой амплитуды для работы фазоимпульсного регулятора яркости.
В начальный момент времени, при закрытом транзисторе VT 1, каждый отрицательный импульс с выхода логического элемента DD 1.2 через диод VD 6 быстро разряжает конденсатор С6. Напряжение на входе элемента DD 1.3 остаётся ниже порогового, поэтому ключевой транзистор VT 2 и симистор VS 1 закрыты, лампа обесточена. При появлении на выходе старшего разряда счётчика DD 3 уровня лог.«0», который приводит к заряду конденсатора C 4 и открыванию транзистора VT 1, через цепочку VD 5- VT 1- R 11 начинает заряжаться конденсатор C 6. Когда напряжение на нём достигнет порога переключения логического элемента DD 1.3, на его выходе появится отрицательный перепад напряжения, который дифференцируясь цепью C 7 R 12 и инвертируясь DD 1.4, откроет ключевой транзистор VT 2, а вслед за ним и симистор VS 1. Лампа накаливания окажется подключенной к сети переменного напряжения 220 В.
Этот процесс при открытом транзисторе VT 1 будет повторяться с частой 100 герц и яркость лампы накаливания будет определяться постоянной времени R 11 C 6, а значит введённой частью сопротивления подстроечного резистора R 11. Чем меньше сопротивление резистора R 11, тем раньше заряжается конденсатор C 6 до порогового напряжения элемента DD 1.3, а значит, тем раньше открывается транзистор VT 2 и симистор VS 1, считая с момента перехода сетевым напряжением нулевого значения. И, наоборот, чем больше сопротивление резистора R 11, тем позже заряжается конденсатор C 6 до порогового напряжения, а значит, тем меньше яркость лампы накаливания. Такой способ управления яркостью лампы называется фазоимпульсным .
После достижения счётчиком DD 3 2048-го состояния, на выходе его старшего разряда появляется уровень лог.«1», который через цепочку VD 12- R 24 быстро заряжает конденсатор C 8 и устанавливает на выходе DD 2.3 уровень лог.«1». Транзистор VT 8 открывается и подключает нижний по схеме вывод конденсатора C 10 к общему проводу. Благодаря этому следующий запуск генератора произойдёт уже на частоте около 2 герц. Одновременно уровень лог.«1» через диод VD 7 быстро разряжает конденсатор С4 и закрывает транзистор VT 1. Фазоимпульсный регулятор яркости переходит в режим ожидания, а лампа накаливания — в выключенное состояние.
Как отмечено выше, излучение лампы должно быть направлено на фотодиод VD 8. Если уровень внешнего освещения при выключении лампы окажется достаточно высоким (в светлое время суток), то перезапуска таймера не произойдёт и лампа останется в выключенном состоянии. При этом фотодиод VD 8 будет засвечен, и сопротивление его перехода будет относительно невысоким, а транзисторы VT 3 и VT 4 будут оставаться в открытом состоянии и на верхнем по схеме входе элемента DD 2.1 будет поддерживаться уровень лог.«1».
При снижении уровня внешней освещённости до заданного резистором R 15 уровня, сопротивление перехода фотодиода VD 8 возрастёт настолько, что транзисторы VT 3 и VT 4 закроются, и на верхнем по схеме входе элемента DD 2.1 будет сформирован уровень лог.«0». Соответственно на выходе DD 2.1 будет сформирован положительный перепад напряжения, который дифференцируясь цепочкой C 9 R 31, обнулит счётчик DD 3 и разблокирует генератор DD 2.4. Как отмечено выше, генератор заработает на частоте около 2 герц и таймер начнет отрабатывать выдержку около 20 мин (точное значение 17 мин 4 сек при частоте вспышек светодиода 1 герц).
После завершения выдержки, вышеописанный процесс повторится: лампа погаснет на десятые доли секунды и включится вновь, при условии, если уровень внешней освещённости окажется ниже заданного порога (в тёмное время суток). Так будет повторяться с интервалами 20 минут и так до тех пор, пока уровень внешней освещённости в момент очередного выключения лампы не достигнет заданного порога (на рассвете или в светлое время суток). При этом перезапуска таймера не произойдёт, и лампа будет оставаться в выключенном состоянии до момента уменьшения уровня внешней освещённости до заданного порога.
Конструкция и детали. Фотореле собрано на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 120 x 50 мм (рис.2) . Плата устанавливается в пластмассовую разветвительную коробку подходящих размеров. В крышке коробки необходимо предусмотреть отверстия для фотодиода и переключателя SA 1.
В устройстве использованы постоянные резисторы типа МЛТ-2 ( R 1, R 2), МЛТ-0,5 ( R 3, R 4), подстроечные ( R 11, R 15, R 32) — типа СП3-38б в горизонтальном исполнении, остальные — МЛТ-0,125, конденсаторы неполярные типа К10-17, оксидные типа К50-35 или импортные, интегральный стабилизатор DA 1 — типа КР1181ЕН15А (78 L 15). ИМС КР1561ТЛ1 заменима на импортный аналог CD 4093 BN , а КР1561ИЕ20 — на CD 4040 BN . Транзистор VT 1 должен быть из серии КТ3107 с индексами «ГМ» или «ЕМ» или импортный ВС557С. Транзистор VT 2 КТ538А заменим на MJE 13001. Транзисторы VT 3, VT 5, VT 7 должны быть из серии КТ3102 с индексами «ГМ» или «ЕМ» или импортные ВС547С. Транзисторы VT 4, VT 6 могут быть из серии КТ3107 с любыми индексами или импортные из серии ВС557. Транзистор VT 8 может быть из серий КТ503 или КТ3102 с любыми индексами. Стабилитрон VD 2 должен быть с напряжением стабилизации 18 В, например, BZX 85 C 18, КС518А или аналогичный. От его напряжения стабилизации зависит правильная работа схемы идентификации нуля. При использовании стабилитрона с другим напряжением стабилизации, необходимо подобрать номиналы резисторов делителя R 5- R 6, таким образом, чтобы напряжение на входе DD 1.1 не превышало 15 В. Фотодиод использован типа ФД263. Диоды VD 2, VD 4 малой или средней мощности должны быть с минимально допустимым рабочим напряжением не менее 400 В. Диоды VD 5… VD 7, VD 9… VD 13 могут быть любыми маломощными кремниевыми из серий КД503, КД521, КД522, 1 N 4148 или аналогичные. Для распайки переключателя SA 1 типа П1Т-1-1В на плате предусмотрены отверстия соответствующей конфигурации. Диодный мост VD 1 должен быть с минимальным рабочим напряжением не менее 400В. Симистор VS 1 может быть из серий BT 137, BT 138, BT 139 с рабочим напряжением не менее 400В. При мощности лампы накаливания до 100 Вт симистор в радиаторе не нуждается. При этом теплоотводом служит сама печатная плата, в которой предусмотрено отверстие диаметром 3 мм для фиксации симистора.
Настройка фотореле заключается в установке требуемой чувствительности подстроечным резистором R 15, яркости лампы — резистором R 11, и времени выдержки — резистором R 32. При настройке лампу EL 1 направляют на фотодиод и подключают автомат к сети. Максимальную яркость лампы устанавливают резистором R 11 в основном режиме при показанном на схеме положении переключателя SA 1. Подстройкой резистора R 11 устанавливают максимальную яркость на уровне около 70…80 процентов от максимальной паспортной яркости лампы. Подстроечным резистором R 32 добиваются мигания светодиода с частотой около 1 герц. Затем фотореле отключают от сети (!) и переводят в сервисный режим переключением SA 1 в нижнее по схеме (замкнутое) положение. Лампа должна быть направлена на фотодиод, а уровень внешнего освещения должен быть минимальным (как в тёмное время суток). Автомат вновь подключают к сети и подстройкой резистора R 15 устанавливают максимальную чувствительность. Теперь при низком уровне внешней освещённости лампа должна кратковременно погасать и включаться с периодом около 2 секунд. Далее с помощью вспомогательного источника света (например, другой лампы) освещают фотодиод. Мигание лампы EL 1 должно прекратиться, и она должна оставаться в выключенном состоянии. Затем фотореле переводят в основной рабочий режим (при отключенной сети! ) переключением SA 1 в верхнее по схеме (разомкнутое) положение. На этом настройка завершена. Фотореле готово к работе.
Внимание! Устройство не имеет гальванической развязки от сети! При настройке автомата следует помнить, что все элементы находятся под напряжением сети. Следует избегать прикосновения к элементам схемы! Отвёртку необходимо использовать с ручкой из изоляционного материала!
Отзывы и вопросы по усовершенствованию устройства читатели могут направлять на электронный адрес автора E - mail : A _ Odinets @ tut . by
Литература.
1. Одинец А.Л. Фотореле с нестандартным алгоритмом. // Электрик. — 2013 г. — №11 — С.60.
2. Одинец А.Л. Фотореле со специальным алгоритмом. // Электрик. — 2015 г. — №4 — С.48.