Двухканальный контроллер «дюралайта» на MOSFET транзисторах

В статье рассмотрен вариант контроллера, реализующий плавное противофазное управление яркостью двух гирлянд методом широтно-импульсной модуляции. В то время, когда яркость ламп в одном канале плавно убывает, в другом – возрастает.

В настоящее время для эстетического светового оформ­ления витрин магазинов, баров, дискотек, наружной рекла­мы и архитектурного освещения широко используются све­товые шнуры типа «дюралайт» («Duralight») и «флексилайт» («Flexilight») в различных конфигурациях. «Дюралайт» пред­ставляет собой гибкий шнур круглого (реже прямоугольного) сечения из окрашенного светорассеивающего пластика (ПВХ), которым залита гирлянда из миниатюрных лампочек или све­тодиодов. Количество гирлянд может варьироваться от одной до четырёх. Существуют различные конфигурации «дюра­лайта»: «фиксинг», «хамелеон», «чейзинг» и «мультичейзинг».

Соответственно перечисленным сериям меняется крат­ность резки и потребляемая мощность световых шнуров. Крат­ность резки шнуров составляет:

• для серии «фиксинг» – 1 м;
• для серии «хамелеон» и «чейзинг» – 2 м;
• для серии «мультичейзинг» – 4 м.

Потребляемая мощность «дюралайта» изменяется от 16,38 Вт/м («фиксинг», «чейзинг», «хамелеон») до 21,6 Вт/м («мультичейзинг»).

Обычно один конец отрезка «дюралайта» с помощью пе­реходной муфты соединяется с сетевым шнуром, который под­ключается непосредственно в сеть 220 В / 50 Гц. На другой (свободный) конец надевается пластиковая заглушка. Отрез­ки «дюралайта» могут соединяться друг с другом разъемом типа «папа-папа» и скрепляются соединительной муфтой или специальной термоусаживающей плёнкой.

Более подробно ознакомиться с различными конфигура­циями «дюралайта», а также с базовой версией контролле­ра, реализующей фазоимпульсный метод управления можно в [1]. В отличие от базовой версии, в улучшенной версии кон­троллера использован широтно-импусный метод (ШИМ) уп­равления гирляндами, что позволило увеличить дискрет­ность уровней яркости с 16 до 256 и реализовать идеально плавное управление яркостью гирлянд при меньших аппарат­ных затратах.

В отличие от конструкций контроллеров, доступных в Ин­тернет, предлагаемый вариант не имеет ограничения по про­должительности времени работы. При этом нет необходимости в ходе работы нажимать какие-либо кнопки, чтобы вер­нуть контроллер в исходное состояние.

Робота пристрою

Схема электрическая принципиальная контроллера (ри­сунок) содержит:

• ВЧ-генератор, собранный на элементах DD1 и DD1.2, стробирующий ШИМ-модулятор;
• НЧ-генератор, на элементах DD3 и DD1.4, управляю­щий формирователем кодовых комбинаций нарастания- убывания яркости;
• счётчики DD1, DD2.2 -делители частоты на 256;
• одновибратор на элементах DD1, DD3.2;
• RS-триггер на элементах DD3, DD3.4;
• счётчик с переменным коэффициентом деления DD4, DD5;
• формирователь кодовых комбинаций нарастания-убыва­ния яркости DD6, DD7, DD8;
• схему индикации DD9, HL..HL16.

Для управления мощными ключевыми MOSFET-транзисторами используются буферные формирователи на транзис­торах VT2, VT3 и VT6, VT7, сигнал на которые с выходов RS- триггера подаётся через схемы сдвига уровня на транзисто­рах VT1 и VT5.

Питание буферных формирователей осуществляется от параметрического стабилизатора на элементах R8, R9, VD1, а цифровой части схемы – от маломощного интегрального стабилизатора DA1.

Скорость нарастания-убывания яркости гирлянд задаёт­ся переменным резистором R3, входящим во времязадающую цепь генератора прямоугольных импульсов DD1.3, DD1.4.

В устройстве используется ШИМ для управления ключе­выми MOSFET-транзисторами. При этом яркость зависит от времени нахождения транзистора в открытом состоянии, т.е. от скважности импульсов.

В данном случае, скважностью называется отношение пе­риода следования импульсов к их длительности. Следователь­но, чем больше скважность, тем больше соотношение период/длительностъ импульса, тем меньше яркость, и, наоборот, чем меньше скважность, тем больше яркость в данном канапе.

Рассмотрим работу контроллера с момента подачи пита­ния, считая, что при этом счётчик DD6 установился в нулевое состояние. При этом на выходе всех элементов «ИС­КЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» (DD7, DD8) также присутствуют уровни лог. «0», поскольку на объединённые управляющие входы этих элементов (выводы 2, 5, 13, 9) также приходит уровень лог. «0».

Импульсы с генератора на DD1.1 и DD1.2 поступают на вход счётчика на DD2. Первым же отрицательным перепа­дом с выхода старшего разряда счётчика DD2.2 запускает­ся одновибратор на элементах DD3.1, DD3.2. На его выходе формируется короткий отрицательный импульс, длительностью несколько десятков наносекунд. Этот импульс устанав­ливает RS-триггер DD3 в исходное единичное состояние (на выходе DD3.3- уровень лог. «1»). При этом происходит од­новременная запись текущей двоичной комбинации «00000000» с выходов элементов DD7.1…DD7.4 и DD8.1…DD8.4 в дво­ичные разряды счётчиков DD4 и DD5.

Этот двоичный код определяет коэффициент пересчёта данных счётчиков, а значит, и временной интервал с мо­мента установки RS-триггера в единичное состояние до мо­мента появления отрицательного импульса (сигнала перепол­нения) на выходе «+CR» (вывод 12) счётчика DD5. Этот временной интервал определяет скважность импульсов на выходах RS-триггера DD3.3, DD3.4. Уровень лог. «1» с вы­хода элемента DD3.3 открывает транзисторы VT3 и VT5, а уровень лог. «0» с выхода DD3.4 закрывает VT1, VT2 и VT5, VT6. Следовательно, мощный ключевой MOSFET транзистор VT8 оказывается открытым, a VT4 – закрытым в данный момент времени. При переключении RS-триггера в противо­положное состояние, происходит обратное.

При увеличении состояния счётчика DD6 происходит на­растание двоичных комбинаций на его выходах, а значит и на выходах элементов DD7.1…DD7.4 и DD8.1…DD8.4. С уве­личением двоичных комбинаций, записываемых во внутрен­ние двоичные разряды счётчиков DD4, DD5, коэффициент их пересчёта уменьшается. Поэтому уменьшается и временной интервал с момента стробирования счётчиков импульсом с выхода одновибратора DD3.1, DD3.2 до момента появления сигнала переполнения на выходе «+CR» (вывод 12) счётчи­ка DD5 и переключения RS-триггера в противоположное со­стояние. При этом скважность импульсов на прямом выхо­де RS-триггера (вывод 3 элемента DD3.3) увеличивается (яр­кость в первом канале EL1 убывает), а на инверсном выхо­де RS-триггера (вывод 6 элемента DD3.4) уменьшается (яр­кость во втором канале EL2 возрастает).

При достижении счётчиком DD6 своего 256-го состояния на его выходе Q9 (вывод 12) появляется уровень лог. «1». Все логические элементы DD7.1.. .DD7.4 и DD8.1…DD8.4 на­чинают работать в режиме инверсии выходных кодовых ком­бинаций счётчика DD6, поэтому на их выходах формируют­ся последовательно убывающие двоичные комбинации. Яр­кость в первом канале (EL1) начинает возрастать, а во вто­ром (EL2) – убывать. Таким образом, осуществляется ШИМ-модуляция яркости гирлянд.

Конструкція і деталі

Контроллер собран на печатной плате размерами 120×95 мм из двухстороннего фольгированного стеклотекс­толита толщиной 1,5 мм.

В устройстве применены резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-2 (R8, R9), конденсаторы постоянные типа К10-17 (С1…С4, С6) и электролитические типа К50-35 (С5, С7).

Подстроечный резистор R1 – типа СП3-386 в горизон­тальном исполнении, переменный R2 может быть любой ма­логабаритный (с ручкой из изоляционного материала!).

Транзисторы VT1, VT5 могут быть из серий КТ503, КТ3102 и другие маломощные структуры n-p-n; транзисторы VT2, VT3, VT6, VT7 – обязательно составные средней мощности; све­тодиоды HL1…HL16 – любого цвета, желательно сверхъяркие, диаметром 5 мм; стабилитрон VD1 должен быть с на­пряжением стабилизации 10… 12 В, например, КС510А, КС512А или BZX55C10, BZX55C12.

Диод VD2 – кремниевый средней мощности с минималь­но допустимым обратным напряжением не менее 400 В. Ди­одный мосты должен быть в вертикальном исполнении типа RS407L или аналогичный.

Транзисторы MOSFET типа IRF840 заменимы на IRF740 и другие с минимально допустимым рабочим напряжением сток-исток не менее 400 В и минимально возможным со­противлением канала в открытом состоянии. Максимальная мощность нагрузки при эксплуатации без радиатора не долж­на превышать 250 Вт. При большей мощности необходимы радиаторы.

Автором проверена возможность использования в каче­стве VT4 и VT8 транзисторов КП7173А отечественного про­изводства. Их параметры: максимальный ток стока I_з=4 А, максимально допустимое напряжение сток-исток U_С-И=600 В. Сопротивление канала в открытом состоянии не более 2 Ома. Максимальная суммарная мощность гирлянды в одном ка­напе в случае применения транзисторов типа КП7173А без радиатора не должна превышать 100 Вт.

Все ИМС серии КР1564 (74НСхх) заменимы на соответ­ствующие аналоги серии КР1554 (74АСхх). Интегральный ста­билизатор применён типа КР1181ЕН5А (78L05).

Для индикации яркости и создания эффекта «бегущего ог­ня» в устройство введён дешифратор DD9 и светодиодная линейка HL1…HL16. При желании, дешифратор и светодио­ды можно исключить из конструкции без ухудшения функци­ональности устройства.

Настройка контроллера

Она заключается в установке частоты задающего генера­тора DD1.1, DD1.2 подстроечным резистором R1 около 512 кГц и выборе желаемой скорости нарастания-убывания яркости гирлянд с помощью переменного резистора R3.

Внимание! Конструкция имеет непосредственную галь­ваническую связь с сетью переменного тока! Все элементы находятся под напряжением 220 В. При настройке устройст­ва необходимо использовать отвёртку с ручкой из изоляци­онного материала. Ручка переменного резистора R3 также должна быть выполнена из изоляционного материала.

Література

1. Одинец А.Л. Двухканальный контроллер светового шну­ра типа «дюралайт». // Электрик. Международный элек­тротехнический журнал. – 2011. – №5 – С.72-75.

Открыть принципиальную схему в высоком качестве

Автор: Александр Одинец, г. Минск