Данный вариант фотореле является третьим и наиболее совершенным в линейке фотореле с нестандартным алгоритмом. Базовый вариант, рассмотренный в [1], предназначен для работы со светодиодной лампой, а его улучшенная версия, рассмотренная в [2], содержит функции защиты и регулятора яркости и предназначена для работы с лампой накаливания. Опыт эксплуатации второго варианта фотореле показал, что он обладает недостаточной чувствительностью, собственно, как и базовая версия, поэтому выключение лампы происходит с некоторым запаздыванием, при уже достаточно высоком уровне освещённости.
Значительно повысить чувствительность удалось благодаря реализации фотодиодного усилителя на ОУ типа TL062. Кроме того, полностью переработан и выполнен по упрощенной схеме регулятор яркости, а также таймер. Теперь он реализован на одной ИМС вместо двух, как в предыдущей версии автомата.
Основным недостатком классических фотореле являются ложные срабатывания при засветке фар автомобиля и блеске молнии. Кроме того, требуется оптическая изоляция фотодатчика от коммутируемой лампы, что также является большим недостатком. От перечисленных недостатков свободно предлагаемое фотореле, которое можно разместить в непосредственной близости от лампы накаливания. При этом излучение лампы может падать на фотодиод непосредственно без необходимости его оптической изоляции, а само фотореле можно разместить в корпусе светильника.
Благодаря реализации в устройстве функций защиты и регулятора яркости обеспечивается наиболее благоприятный режим работы лампы накаливания, а значит, достигается максимальный срок её службы. В большинстве случаев перегорание нити происходит именно в момент включения, когда её сопротивление в несколько раз меньше, чем в нагретом состоянии. Автомат обеспечивает плавное включение лампы, что исключает большой бросок тока, и, тем самым, защищает от перегорания. Кроме того, замечено, что если эксплуатировать лампу не на максимальной мощности в 100%, а при значении 75…80% от максимального значения, то срок службы лампы накаливания значительно возрастает.
Как и в базовых вариантах, данное фотореле работает в циклическом режиме с интервалом отсчёта 20…30 мин, по прошествии которого, лампа кратковременно, на десятые до ли секунды погасает, а затем включается вновь, при условии, если уровень внешнего освещения окажется ниже заданного порога.
Opération
Схема электрическая фотореле показана на рис.1. Сигнал фотодиода усиливается ОУ DA2.1 и с его выхода поступает на вход компаратора DA2.2, обладающего свойствами триггера Шмитта для более чёткого срабатывания.
В светлое время суток, когда уровень освещённости выше порогового значения, сопротивление перехода фотодиода относительно невелико, а выходное напряжение ОУ DA2.1 выше порогового значения компаратора DA2.2, которое задаётся подстроечным резистором R26. При уменьшении уровня естественного освещения, сопротивление перехода фотодиода VD5 возрастает, поэтому уменьшается напряжение на выходе ОУ DA2.1. Когда напряжение на входе компаратора DA2.2 станет меньше его порога переключения, на выходе компаратора сформируется положительный перепад напряжения, который приведёт к открыванию транзисторов VT4 и VT5, а после дифференцирования цепочкой C10R28, приведёт к перезапуску таймера DD2.
Таймер DD2 включен по схеме одновибратора, благодаря соединению его выхода (вывод 10) с входом ST (вывод 3). В случае подачи на вход таймера R0 короткого импульса положительной полярности, на его выводе 10 устанавливается уровень лог. «0», а на выводе 9 с открытым стоком – благодаря резистору R30 – уровень лог. «1». При указанных на схеме номиналах элементов С11 и R31 длительность импульса на выходе таймера составляет около 20 мин. Частоту задающего генератора можно рассчитать по формуле f=1/T=1/1,8RC. Коэффициент 1,8 в знаменателе, по сравнению с типичным значением 1,4 для таких генераторов, получается из-за того, что вход «RC» таймера (вывод 4) обладает гистерезисными свойствами с уровнем 0,5 В.
Коэффициент деления счётчиков таймера при указанном на схеме положении переключателя SA1 составляет К1 =30x60x2048=3686400, что соответствует работе автомата в основном режиме. При установке переключателя SA1 в нижнее по схеме положение, устанавливается минимальный коэффициент деления равный К2=2048, что соответствует работе автомата в сервисном режиме.
После запуска таймера уровень лог. «1» с его выхода приводит к закрыванию транзистора VT1 и открыванию VT3. При этом конденсатор С5 начинает постепенно заряжаться (в течение 1 с), что приводит к открыванию транзистора VT2.
Для работы регулятора яркости в схему введён узел выделения момента прохождения сетевым напряжением нулевого значения, собранный на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Короткие отрицательные импульсы пилообразной формы в моменты, когда сетевое напряжение близко к нулю, снимаются с катода стабилитрона VD2 и через делитель R4R5 подаются на вход одновибратора (DD1.1, DD1.2). Он необходим для формирования стабильных по длительности, но уже прямоугольных отрицательных импульсов, которые быстро разряжают конденсатор С7 в моменты начала каждого полупериода сетевого напряжения.
Прежде чем зарядится конденсатор С5 и произойдёт включение лампы на максимальную яркость, уровнем лог. «1» с выхода компаратора DA2.2 открываются транзисторы VT4 и VT5, и на лампу подаётся небольшое начальное напряжение, задаваемое резистором R18. Этим резистором устанавливается начальная яркость на уровне 5… 10%, что необходимо для предварительного прогрева нити накаливания. После того, как конденсатор С5 зарядится через резистор R13 и открытый транзистор VT3, откроется транзистор VT2, и уровень яркости лампы накаливания теперь будет определяться введённой частью сопротивления резистора R14. Яркость можно установить в пределах 0…80%, чего в большинстве случаев оказывается вполне достаточно. При такой яркости лампы (не более 80% от максимального значения) обеспечивается наиболее благоприятный режим её работы.
Как отмечено выше, конденсатор С7 быстро разряжается через диод VD4 каждым отрицательным импульсом с выхода одновибратора в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. После открывания транзисторов VT4 и VT5 уровень яркости лампы будет определяться введённой частью сопротивления резистора R18, а после открывания транзистора VT2 – ещё и сопротивлением резистора R14.
После завершения короткого отрицательного импульса, на выходе одновибратора появляется уровень лог. «1». Теперь конденсатор С7 начинает заряжаться через резисторы R14 и R18 и открытые транзисторы VT2 и VT5. Когда напряжение на входе элемента DD1.3 достигает порога переключения, на его выходе формируется отрицательный перепад напряжения, который, дифференцируясь цепочкой C8R19, вызывает формирование на выходе логического элемента DD1.4 короткого положительного импульса длительностью около 12 мкс. Этот импульс после инвертирования и усиления его транзистором VT2 открывает симистор VS1, который подключает лампу накаливания к сети. Время зарядки конденсатора С7 определяется введёнными сопротивлениями резисторов R14 и R18. Чем больше постоянная времени R14R18C7, тем позже формируется импульс управления симистором, считая с момента перехода через ноль, тем меньше мощность, отдаваемая в нагрузку, и наоборот. Такой способ управления яркостью лампы называется фазоимпульсным.
После завершения выдержки таймера, на его выходе формируется уровень лог. «0», который закрывает транзистор VT3 и открывает VT1. Конденсатор С5 быстро разряжается через резистор R8, и лампа кратковременно (на десятые доли секунды) выключается. Если при этом уровень внешнего освещения оказывается недостаточным (в ночное время суток), то вновь срабатывает пороговый компаратор DA2.2 и перезапускается таймер DD2. Такой циклический режим работы повторяется с интервалами около 20 мин. Лампа будет светить до тех пор, пока уровень внешней освещенности не достигнет заданного порога. Если при очередном кратковременном выключении лампы сопротивление фотодиода VD5 окажется достаточно низким (высокая освещённость), то напряжение на входе компаратора DA2.2 окажется выше порога его переключения, и перезапуска таймера DD2 не произойдёт. Таймер DD2 останется в исходном состоянии, а лампа – в выключенном состоянии. Автомат будет оставаться в режиме ожидания до очередного снижения уровня освещённости меньше заданного порога.
Le design et les détails
Фотореле собрано на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 120×50 мм. Плата устанавливается в пластмассовую разветвительную коробку подходящих размеров. В крышке коробки необходимо предусмотреть отверстия для фотодиода и переключателя SA1.
В устройстве использованы постоянные резисторы типа МЛТ-2 (R1, R2), МЛТ-0,5 (R21, R22), подстроенные (R13, R18, R25, R26) – типа СПЗ-386 в горизонтальном исполнении, остальные – МЛТ-0,125 ±5%.
Конденсаторы неполярные типа К10-17, оксидные типа К50-35 или импортные.
Интегральный стабилизатор DA1 типа КР1181ЕН5А (78L05). ИМС КР1564ТЛЗ (74HC132N) заменима КР1554ТЛЗ (74AC132N).
Соответствующие транзисторы VT1-VT5 могут быть из серий КТ503, КТ3107 или импортные из серий KSC815, ВС557 с любыми индексами. Транзистор VT6 должен быть с рабочим напряжением не менее 400 В, например, типа КТ538А.
Фотодиод использован типа ФД263.
Для установки переключателя SA1 типа П1Т-1-1В на плате предусмотрены отверстия соответствующей конфигурации.
Стабилитрон VD2 должен быть с напряжением стабилизации обязательно ровно 10 В, например, типа BZX55C10, Д814В1, КС510А. От напряжения его стабилизации зависит правильная работа схемы идентификации нуля.
Диодный мост VD1 должен быть с минимальным рабочим напряжением не менее 400 В. Симистор VS1 может быть из серий ВТ137, ВТ138, ВТ139 с рабочим напряжением не менее 400 В. При мощности лампы накаливания до 100 Вт симистор в радиаторе не нуждается.
Настройка фотореле
Она заключается в установке максимальной чувствительности подстроечным резистором R25, порога срабатывания компаратора резистором R26, минимальной яркости резистором R18, времени нарастания яркости резистором R13 и максимальной яркости резистором R14. При настройке лампу EL1 направляют на фотодиод и подключают автомат к сети. Максимальную яркость лампы устанавливают резистором R14 в основном режиме при показанном на схеме положении переключателя SA1. Подстройкой резистора R14 устанавливают максимальную яркость на уровне около 70…80% от максимальной паспортной яркости лампы, а резистором R18 – на уровне 5…10%, т.е. таким образом, чтобы свечение лампы сначала было едва заметно, а потом лампа загоралась с максимальной заданной яркостью. Для этого необходимо, чтобы лампа загоралась не сразу, а с некоторой задержкой, поэтому подстроенный резистор R13 вначале устанавливают на максимум сопротивления.
Затем фотореле отключают от сети (!) и переводят в сервисный режим переключением SA1 в нижнее по схеме положение. Движок резистора R13 устанавливают на минимум сопротивления. Автомат вновь подключают к сети и подстройкой резистора R25 устанавливают максимальную чувствительность, а подстройкой R26 добиваются чёткого срабатывания компаратора DA2.2. Теперь при низком уровне внешней освещённости лампа должна кратковременно погасать и включаться с периодом около 1 с. В завершении процедуры настройки, резистором R13 устанавливают время нарастания яркости в пределах 0.5…1 с, т.е. таким образом, чтобы зажигание лампы было визуально заметно. Далее с помощью вспомогательного источника света (например, другой лампы) освещают фотодиод. Мигание лампы EL1 должно прекратиться, и она должна оставаться в выключенном состоянии. Затем фотореле переводят в основной рабочий режим (при отключенной сети!) переключением SA1 в верхнее по схеме положение. На этом настройка завершена.
Внимание! При настройке автомата следует помнить, что все элементы находятся под напряжением сети!
Littérature
- Одинец А.Л. Фотореле с нестандартным алгоритмом //Электрик. – 2013. – №11. – С.60.
- Одинец А.Л. Фотореле со специальным алгоритмом //Электрик. – 2015. – №4. – С.48.
Auteur : Александр Одинец, г. Минск