И снова о сенсорном выключателе…

У многих радиолюбителей «со стажем» сохранились запасы морально устаревших, но вполне работоспособных микросхем и других деталей. Но прямая замена ими современных элементов зачастую не даёт положительных результатов. Автор рассказы­вает, как он решил возникающие проблемы при повторении известных конструкций сенсорных выключателей.

Хочу вернуться к теме, которая уже не раз поднималась на страницах жур­нала. Это сенсорные выключатели, реа­гирующие на прикосновение руки к сен­сорному контакту. Вообще, сенсорный выключатель — очень неплохая вещь, особенно если он малогабаритный. Его можно встроить во многие бытовые приборы и включать/выключать их при­косновением пальца к металлической детали на корпусе (иногда она может быть незаметной).

Для этого наиболее подходят сен­сорные выключатели, управляемые прикосновением к одиночному сенсору. Такие конструкции, построенные на микросхемах серии К561, описаны, например, в [1] и [2]. У многих радиолю­бителей до сих пор сохранились запасы функционально аналогичных, но мораль­но устаревших микросхем серии 176. Однако попытки просто заменить ими в упомянутых конструкциях микросхемы серии К561 не привели к положитель­ным результатам.

Недавно мне потребовалось изгото­вить несколько сенсорных выключате­лей, а в наличии были только микросхе­мы К176ТМ2 и К176ТМ1. Покупать спе­циально для выключателей микросхемы К561ТМ2 не хотелось, поэтому было решено сделать выключатели на микро­схемах серии К176.

Нашлось также много тринисторов КУ221Г, использовавшихся в цветных телевизорах. При проверке двух десят­ков таких тринисторов оказалось, что всего три из них имеют управляющий ток открывания 30…40 мА, остальные открывались током 80… 150 мА. Но по­скольку тринисторы КУ221Г, вероятно, есть в наличии не только у меня, было решено применить такой тринистор в сенсорном выключателе.

За основу была взята «сенсорная» часть конструкции, описанной в [1]. Силовая часть была полностью пере­работана, причём в разных вариантах. В зависимости от того, где будет при­меняться выключатель, можно вы­брать транзисторный, тринисторный или симисторный варианты. Есть и вариант с использованием микросхе­мы К1182ПМ1, позволяющий плавно включать и выключать лампу накалива­ния. Чтобы управлять мощным электро­прибором, выходной силовой прибор выключателя должен быть снабжён соответствующим теплоотводом. Но при коммутируемой мощности менее 100 Вт теплоотвод не обязателен.

Итак, сенсорное устройство по схеме из статьи [1] было собрано на микросхе­ме К176ТМ2, но не заработало. Его исследование с помощью осциллогра­фа показало, что при прикосновении руки к сенсорному контакту импульсов на выходе формирователя импульсов на триггере 001.1 нет, хотя на его входе присутствует наведённое телом челове­ка переменное напряжение размахом 1,7 В. Следовательно, для переключе­ния триггера К176ТМ2 этого мало. После добавления на входе эмиттерного повторителя на транзисторе ампли­туда сигнала на входе триггера выросла почти до напряжения питания и появи­лись импульсы на его выходе. Но чётко­го переключения триггера DD1.2 в счёт­ном режиме всё равно не было.

Была установлена интегрирующая RC-цепь с инверсного выхода триггера на его вход D для задержки этого сигна­ла. После этого устройство стало ус­тойчиво работать. Как показали даль­нейшие эксперименты, конденсатор из этой цепи можно вообще исклю­чить, вполне достаточно ёмкости входа D-триггера, которая совместно с ре­зистором обеспечивает необходимую задержку сигнала.

Получившаяся схема сенсорной части этого варианта выключателя представлена на рис. 1 (слева от штрихпунктирной линии). Хочу особо отметить, что в моей конструкции при подключении резистора R5 к инверсно­му выходу (выводу 2) триггера DD1.2 выключатель работал неустойчиво.

В качестве замены транзистора КТ312Б подойдёт любой маломощный транзистор структуры n-p-n, например, серий КТ312, КТ315, КТ3102.

Теперь о силовой части этого вари­анта выключателя (на рис. 1 справа от штрихпунктирной линии). Как было упо­мянуто выше, управляющий ток, не­обходимый для открывания тринистора КУ221Г, может достигать 130…150 мА. Но в рассматриваемом случае он течёт через коммутируемую лампу EL1, рези­стор R7 и составной транзистор VT2— VT4 и не нагружает параметрический стабилизатор на стабилитроне VD3, питающий лишь транзистор VT1 и мик­росхему DD1. Благодаря этому сопро­тивление резистора может быть довольно большим. Рассеиваемая им мощность не превышает 0,5 Вт.

Составной транзистор применён для управления тринистором по причине того, что высоковольтные транзисторы 13001 имеют коэффициент передачи тока базы не более 40. Использование в нём трёх транзисторов — не перестра­ховка. При двух транзисторах для надёжного открывания тринистора VS1 приходилось уменьшать сопротивле­ние резистора R5 до 1 кОм. Это не толь­ко перегружало выход триггера, но и требовало уменьшить сопротивление резистора R6 до 62 кОм и увеличивать его мощность до 1 Вт.

В следующий вариант выключателя были внесены изменения, необходи­мые для использования в нём микро­схемы К176ТМ1, а его силовая часть бы­ла построена на симисторе BT134-600. Схема этого варианта изображена на рис. 2.

Здесь на триггере DD1.1 собран одновибратор. Поэтому принцип управ­ления выключателем стал другим. Рассмотренный выше выключатель на микросхеме К561ТМ2 переходит в про­тивоположное состояние в момент при­косновения к сенсору Е1, дальнейшее удержание пальца на нём роли не играет. В варианте с одновибратором при­косновение к сенсору для перевода выключателя в противоположное со­стояние должно быть коротким. Если же задержать палец на сенсоре, то через некоторое время, зависящее от ёмко­сти конденсатора С2, одновибратор сформирует следующий импульс, за­тем ещё один и так далее. Каждый из этих импульсов будет переключать триггер DD1.2. Считать это недостат­ком нельзя, подобный алгоритм реали­зован, например, в микросхеме К145АП2. Там короткие касания сенсо­ра включают и выключают лампу, а удержание пальца на сенсоре приводит к уменьшению или увеличению яркости её свечения.

Понятно, что в этом варианте вы­ключателя может работать и микросхема К176ТМ2, если входы S её триггеров (выводы 6 и 8) соединить с общим про­водом. Хотя в этом случае импульсы на выходе одновибратора на триггере DD1.1 имеют крутые перепады, без задержки сигнала, поступающего с инверсного выхода триггера DD1.2 на его вход D, обойтись не удалось. Зато необходимую задержку в этом случае вносит входная ёмкость силовой части выключателя. Именно поэтому резис­тор R4 подключён к инверсному (вы­вод 2), а не к прямому выходу триггера.

Этот вариант сенсорной части выключателя наиболее универсален, поскольку в нём работают как микро­схемы К176ТМ1 и К176ТМ2, так и К561ТМ2. В последнем случае можно отказаться от эмиттерного повторителя на транзисторе VT 1.

Теперь подробнее о предлагаемых вариантах силовой части. Вариант с тринистором, представленный на рис. 1, подробно описан ранее. По­нятно, что вместо КУ221Г можно приме­нить любой другой тринистор с допу­стимым напряжением в закрытом состоянии не менее 400 В и допусти­мым током в открытом состоянии, не меньшим, чем ток коммутируемой нагрузки. При применении более чув­ствительного тринистора можно увели­чить сопротивление резистора R7 вплоть до нескольких килоом. Возмож­но, в этом случае удастся убрать один из транзисторов VТ2—VТ4.

При монтаже обязательно проверяй­те назначение выводов транзисторов 13001, оно бывает различным. Вместо диодов КД522Б можно использовать КД522А или любые другие маломощные кремниевые диоды. Диоды 1N4007 заменяются любыми выпрямительными диодами с обратным напряжением не менее 400 В и допустимым прямым током, не меньшим тока нагрузки. Допускается использовать и выпрями­тельные мосты с соответствующими параметрами, например, КЦ402 с индексами А—Г, Ж, И, КЦ405 с такими же индексами или импортные мосты 2W10M, BR810, BC207. Вместо стаби­литрона Д814Б можно установить лю­бой другой с напряжением стабилиза­ции 7…9 В, например, Д814А или 1N4737А, 1N4787А, 1N4797А.

Для коммутации мощной нагрузки этот вариант не совсем удобен, по­скольку, кроме применения более мощ­ного тринистора с теплоотводом, потребуются и более мощные выпрями­тельные диоды тоже с теплоотводами.

Если планируется управлять только энергосберегающей или светодиодной лампой мощностью не более 15…20 Вт или лампой накаливания мощностью не более 60…75 Вт, можно вообще исклю­чить тринистор, а транзистор VT4 13001 заменить более мощным 13003. При этом теплоотвод не потребуется. Но превышать указанные выше значения мощности нельзя. Во время экспери­ментов транзистор 13003 мгновенно сгорел от пускового тока лампы накали­вания мощностью 150 Вт (около 10 А). Такой же транзистор сгорел при вклю­чении энергосберегающей лампы мощ­ностью 30 Вт.

Выключатель с вариантом силовой части, изображённый на рис. 2, благо­даря применению чувствительного симистора ВТ134-600 имеет наименьшее число деталей и небольшие габариты. В нём могут быть применены и другие симисторы с малым током открывания, например, BT136-600, BTA06-600, BTA10-600 и другие. Если использовать симистор КУ208Г, то желательно выбрать его экземпляр с наименьшим током открывания.

При токе открывания более 5…10 мА придётся уменьшать сопротивление резистора R5 в цепи управляющего электрода симистора. А если напряже­ние питания микросхемы DD1 при открытом симисторе будет падать ниже 3 В, следует увеличить ёмкость конден­сатора С5. При этом нельзя забывать и о коэффициенте передачи тока базы транзистора VT2, управляющего симистором. Он не должен быть меньше 150…200.

Диод КД105Б может быть заменён таким же, но с другим буквенным ин­дексом или любым выпрямительным диодом с допустимым обратным напря­жением не менее 400 В и допустимым выпрямленным током не менее 0,1 А. О замене диодов КД522Б и стабилитрона Д814Б было сказано выше.

Этот вариант силовой части вы­ключателя наиболее подходит для управления мощной нагрузкой. Поэто­му убедитесь, что применяемый симистор рассчитан на потребляемый нагруз­кой ток, и при необходимости установи­те его на теплоотвод с достаточной пло­щадью поверхности рассеивания.

Если планируется использовать вы­ключатель для управления обычной лампой накаливания, лучше собрать его силовую часть на микросхеме фазо­вого регулятора К1182ПМ1. Она специ­ально предназначена для плавного включения и выключения ламп накали­вания, а также регулировки их яркости. Плавное включение продлит жизнь лампе, а плавное выключение добавит комфорта при пользовании светильни­ком. Схема этого варианта силовой части выключателя представлена на рис. 3.

Подробное описание фазового регулятора К1182ПМ1 имеется в [3] и [4]. Конечно, он может и напрямую управлять лампой (допустимый ток — 1,2 А), но если она слишком мощная, микросхема может сгореть (пусковой ток лампы накаливания в несколько раз больше рабочего). Поэтому для повышения надёжности в рассматри­ваемый вариант силовой части вы­ключателя добавлен симистор VS1. Он может быть любым, главное, чтобы открывающий ток управления им не превышал 1,2 А. Чем больше этот ток, тем меньше должно быть сопротивле­ние резистора R4, вплоть до полного его исключения.

Здесь можно использовать и сими­стор КУ208Г, причём его подборка по току открывания не обязательна, но потребуется уменьшить сопротивле­ние резистора R4 до 470 Ом. Более по­дробно о выборе симистора можно прочитать в [5].

Несколько слов о резисторе R5. Для мощных симисторов, в том числе и КУ208Г, он не нужен. А вот при примене­нии импортных симисторов с малым током открывания (например, серии BT-134) обойтись без него не удастся — симистор будет открываться и при от­сутствии разрешающего сигнала. Ве­роятно, у микросхемы К118ПМ1 ток утечки в закрытом состоянии сопоста­вим с током открывания этих симисто­ров.

Чтобы определить нужное сопротив­ление резистора R5, необходимо вмес­то него временно установить перемен­ный резистор сопротивлением 1 кОм. Затем соединить выводы 6 и 3 микро­схемы К118ПМ1 и уменьшать сопротив­ление переменного резистора, пока лампа ЕL1 не погаснет. После этого измерить введённое сопротивление переменного резистора и заменить его постоянным резистором ближайшего (в меньшую сторону) номинала.

После подборки резистора R5 необ­ходимо убедиться, что в «разомкнутом» состоянии выключателя симистор пол­ностью закрыт, а напряжение на лампе ЕL1 отсутствует. Дело в том, что при слишком большом сопротивлении ре­зистора R2 на лампу ЕL1 может посту­пать напряжение, даже когда транзис­тор VТ1 полностью открыт. Если это напряжение меньше, чем необходимо для свечения лампы, вы даже не будете знать, что в выключенном состоянии ваша настольная лампа потребляет ток, возможно, и не маленький. Для устра­нения этого дефекта сопротивление резистора R2 необходимо уменьшать.

Нелишне будет измерить напряже­ние на лампе и при «замкнутом» выклю­чателе. Оно должно быть меньше на­пряжения в сети не более чем на 2…3 В. Если оно меньше на пять и более вольт, значит, конденсатор С1 имеет большой ток утечки, и его необходимо заменить.

Для существенного увеличения сро­ка службы лампы накаливания нужно выполнить два условия. Во-первых, её включение должно продолжаться не менее 2…3 с. Это время устанавливают подборкой ёмкости конденсатора С1. Чем она больше, тем медленнее вклю­чается лампа. Во-вторых, питать лампу нужно напряжением 210…215 В, если это допустимо по условиям освещения. Для ограничения максимального на­пряжения параллельно конденсатору С1 подключите не показанный на схеме резистор. Его сопротивление, в зависимости от экземпляра микросхемы К1182ПМ1, может лежать в пределах 82…510кОм. Подбирают его экспери­ментально, глядя на показания подклю­чённого параллельно лампе вольтмет­ра, измеряющего истинное действую­щее значение переменного напряже­ния. Её яркость, конечно, немного сни­зится, но срок службы увеличится зна­чительно. Если вместо этого посто­янного резистора применить перемен­ный, получим сенсорный выключатель с регулировкой яркости.

Выключатель с тринистором или симистором может стать источником помех, поэтому необходимо включить последовательно с ним помехоподав­ляющий дроссель, содержащий пять слоёв обмоточного провода диаметром 0,6…0,7 мм, намотанных виток к витку на ферритовом стержне диаметром 8…10 мм и длиной 25…30 мм.

Все предложенные варианты сен­сорных и силовых частей выключателей взаимозаменяемы и стыкуются между собой. Необходимый вариант может быть выбран в зависимости от наличия деталей и мощности нагрузки, а также по принципу управления выключате­лем.

Поскольку устройство имеет гальва­ническую связь с сетью, во время нала­живания следует соблюдать осторож­ность, все изменения производить только после его отключения от сети. Желательно во время налаживания устройства питать его через развязы­вающий трансформатор. Это обезопа­сит и от ударов электрическим током, и от повреждения деталей при случайных замыканиях на заземлённые предметы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ерофеев Б. Экономичный сенсорный выключатель освещения. — Радио, 2001, № 10, с. 29,30.
2. Куцев М. Сенсорный выключатель. — Радио, 1999, № 7. с. 50.
3. Габов С. Автомат управления освеще­нием. — Радио, 2003, № 11, с. 43.
4. Нечаев И. Регуляторы мощности на микросхеме КР1182ПМ1. — Радио. 2000, № 3, с. 53, 54.
5. Немич А. Микросхема КР1182ПМ1 — фазовый регулятор мощности. — Радио, 1999, № 7, с. 44-46; 2000, № 9, с. 46.

Автор: А. КАРПАЧЕВ, г. Железногорск Курской обл.