В статье рассматривается автомат, обеспечивающий плавное нарастание яркости лампы накаливания в течение нескольких секунд. В отличие от других подобных конструкций, данный автомат производит плавное нарастание среднего тока в нагрузке.
Как известно, срок службы лампы накаливания во многом зависит от режима её работы. Нить лампы накаливания наиболее подвержена разрушению именно в момент включения, когда её сопротивление в холодном состоянии в несколько раз меньше, чем в нагретом. Плавное увеличение тока в момент включения позволяет избежать разрушения нити и значительно продлить срок службы лампы накаливания. Известные автору аналоговые конструкции автоматов защиты ламп накаливания на самом деле обеспечивают лавинообразное нарастание тока в момент включения. Дело в том, что вольтамперная характеристика коммутирующего биполярного или полевого транзистора имеет нелинейный вид. Фактически в начальный момент времени, при включении в сеть, ток через лампу накаливания имеет очень малое значение. Далее ток возрастает нелинейно и лавинообразно, пока коммутирующий транзистор не войдет в режим насыщения, соответствующий максимальной яркости лампы накаливания. Таким образом, не удаётся полностью избежать броска тока в момент включения даже при относительно большом значении времени задержки включения. В результате, лампа долго не загорается, а затем, выходит на максимальный уровень яркости очень быстро, за доли секунды. Кроме того, такой режим неблагоприятно сказывается и на работе самих коммутирующих элементов.
Применение цифрового метода управления коммутирующим симистором с использованием фазоимпульсной модуляции позволяет добиться действительно линейного нарастания среднего тока через лампу накаливания в момент включения и, тем самым, обеспечить наиболее благоприятный режим её работы. Кроме того, благодаря функции регулятора мощности, ограничивается максимальная мощность, потребляемая лампой накаливания, которая обычно возрастает в вечерние часы, когда число потребителей уменьшается, и напряжение в сети возрастает.
Робота пристрою
Схема электрическая автомата приведена на рис.1. В предлагаемом автомате реализовано управление мощностью путём изменения длительности импульсов методом фазоимпульсной модуляции. При этом время нарастания яркости от нуля до 94% от максимального значения может выбираться в пределах 1…10 секунд.
Рис. 1
Сущность фазоимпульсного метода управления яркостью заключается в изменении времени задержки открывания симистора, считая с момента перехода сетевым напряжение нулевого значения. Чем больше время задержки, тем больше времени симистор находится в закрытом состоянии, тем меньше яркость, и, наоборот, чем раньше открывается симистор, тем больше яркость лампы накаливания. Устройство содержит:
- параметрический стабилизатор на элементах R1, R2, VD2;
- интегральный стабилизатор DA1 напряжения 5 В;
- конденсаторы фильтра С1…С4;
- задающий НЧ-генератор на триггере Шмитта DD3;
- схему выделения моментов перехода сетевого напряжения через ноль на элементах DD1, DD3.2;
- RS-триггер управления симистором на элементах DD3, DD3.4;
- усилительный каскад на транзисторе VT1;
- ВЧ-генератор прямоугольных импульсов на элементах DD1, DD1.2;
- схему формирования кодовых комбинаций уровня яркости, в состав которой входят счётчики DD1, DD2.2, регистр DD4, а также реверсивные счётчики-формирователи угла сдвига DD5 и DD6.
Рассмотрим работу автомата, считая с момента перехода напряжением сети нулевого значения. При том ток через стабилитрон VD2 уменьшается до нуля и на его катоде формируется отрицательный импульс амплитудой 10 В. Этот импульс через делитель R7, R8 поступает на вход одновибратора на элементах DD3.1, DD3.2, который формирует из него стабильный по длительности, прямоугольный отрицательный импульс. Этот импульс устанавливает RS-триггер в исходное состояние и одновременно обеспечивает загрузку двоичной комбинации с выходов регистра DD4 в собственные двоичные разряды счётчиков DD5 и DD6. По входам «D0…D3» счётчиков DD5 и DD6 будет записана комбинация «00000000» так как счётчики DD2.1 и DD2.2 были установлены при включении питания в нулевое состояние благодаря цепочке C10-R14.
Благодаря выходным импульсам генератора (DD1.1, DD1.2), поступающим на вход суммирования (вывод 5) счётчика DD5 происходит увеличение его состояния, а вслед за ним и DD6, и как только второй из них (DD6) достигнет пятнадцатого состояния, то следующий отрицательный импульс на его суммирующем входе вызовет появление на его выходе переноса «+CR» (вывод 12) короткого отрицательного импульса и переброс RS-триггера в противоположное состояние. Теперь на выводе 6 элемента DD3.4 появится положительный перепад, который после ограничения по длительности дифференцирующей цепочкой C7-R10 вызовет кратковременное открывание транзистора VT1 и включение симистора VS1. Лампа окажется подключенной к сети, и будет светиться с минимальной яркостью. Симистор будет находиться во включенном состоянии до следующего момента перехода сетевым напряжением нулевого значения. Этот процесс будет повторяться с частотой 100 Гц.
В таком режиме автомат будет работать до момента поступления очередного счётного импульса на вход счётчика DD2.1 и вход синхронизации регистра DD4. Отрицательный перепад этого импульса увеличит состояние счётчика DD2.1, а положительный — приведёт к перезаписи состояний счётчиков DD2.1 и DD2.2 в регистр DD4. Регистр необходим для предотвращения записи случайных комбинаций с выходов счётчиков DD2.1 и DD2.2, образующихся в момент их переключения, в собственные двоичные разряды счётчиков DD5 и DD6.
Очередной счётный импульс с выхода генератора на элементе DD1.3 увеличивает состояние счётчика DD2.1 на единицу, и производит запись двоичной комбинации в регистр DD4, что приводит к увеличению яркости лампы накаливания на 0,4%. Теперь в собственные двоичные разряды счётчиков DD5 и DD6 загружается двоичный код «00000001» и так далее по возрастанию, что приводит к увеличению яркости пампы накаливания с шагом 0,4%. Таким образом, будет происходить постепенное увеличение среднего значения тока, а значит, и яркости от 0 до 94 процентов. При достижении счётчиком DD2.2 пятнадцатого состояния, на объединённых анодах диодной линейки VD5…VD8 сформируется уровень лог. «1», который через диод VD4 заблокирует работу генератора на триггере Шмита DD1.3. Счётчик DD2.2 останется в пятнадцатом, a DD2.1 — в нулевом состоянии. Теперь яркость лампы накаливания будет соответствовать максимальному значению 94%.
Кроме основной функции, автомат легко приспособить для использования в качестве цифрового регулятора мощности, если исключить счётчики DD2.1, DD2.2 и регистр DD4 и дополнить его формирователем управляющего кода предустановки по входам счётчиков DD5, DD6. Этот двоичный код можно сформировать, к примеру, с помощью счетверённой группы микропереключателей или реверсивного счётчика, если дополнить его кнопочным управлением. Также устройство можно дополнить ИМС памяти типа ЭСППЗУ для сохранения установок значения мощности.
Конструкція і деталі
Автомат собран на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм размерами 55×120 мм (Рис. 2).
Рис. 2
В устройстве применены постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-2 (R1, R2), МЛТ-0,5 (R3, R4), подстроенные СП3-386 в горизонтальном исполнении, конденсаторы неполярные — типа К10-17, оксидные — К50-35 или импортные.
Стабилитрон VD2 — обязательно с напряжением стабилизации 10 В — может быть типа BZX85C10, КС510А, Д814В или аналогичный, диод VD3 — кремниевый средней мощности с минимально допустимым обратным напряжением не менее 400 В.
Все ИМС серии КР1564 (74НСхх) заменимы на соответствующие аналоги серии КР1554 (74АСхх).
Симистор может быть из серий ВТА204, ВТА208, ВТА216 с минимальным током управляющего электрода (индекс “D”) и рабочим напряжением не менее 400В. Возможно также применение четырёхквадрантных симисторов из серий ВТ137, ВТ138, ВТ139. В этом случае, для исключения несанкционированного открывания симистора в момент включения устройства необходимо к его силовым выводам подключить демпферную RC-цепочку, из последовательно включенных конденсатора типа К73-17 0,1 мкФ 630 В и резистора типа МЛТ-0,5 220 Ом. При мощности лампы накаливания более 100 Вт симистор необходимо установить на теплоотвод.
Настройка автомата
Она заключается в установке необходимой скорости нарастания яркости подстроечным резистором R11 и частоты задающего ВЧ-генератора резистором R6 около 25600 Гц. Сделать это можно визуально наблюдением изменения яркости от нуля до максимума при отключении одного из выводов диода VD4 (диод отключается при отключенной сети 230 В / 50 Гц). При этом генератор на элементе DD1.3 будет работать непрерывно, и будет происходить циклическое возрастание яркости от нуля до максимума, затем выключение лампы и так далее «по кругу». Частоту ВЧ-генератора устанавливают подстроечным резистором R6 таким образом, чтобы сразу же после выключения лампы наблюдалось визуально заметное слабое свечение нити накаливания. Если частота ВЧ-генератора окажется слишком высокой, то нить накаливания начнёт зажигаться преждевременно, а если слишком низкой, то нить накаливания начнёт зажигаться с запаздыванием. Необходимому значению частоты 25600 Гц соответствует включение пампы сразу же после её погасания в циклическом режиме. После установки требуемого значения частоты, ранее отключенный вывод диода VD4 припаивают обратно (это делается при отключении автомат от сети 230 В / 50 Гц). На этом настройка завершена. Автомат готов к работе.
Автор: Александр Одинец, г. Минск
Джерело: Электрик №5/2016
