Экономичное фотореле

Вопросам экономии электроэнергии радиолюбители уделяют большое внимание — об этом свидетельствуют многочисленные публикации с описанием фотореле — уст­ройств для отключения освещения в светлое время суток.

Предлагаемое фотореле (его схема представлена на рисунке) имеет малое собственное потребление электро­энергии и подключается по двухпро­водной схеме параллельно штатному выключателю. Устройство содержит мощный электронный ключ на симисторе VS1, подключённый параллельно штатному выключателю SА1. Работой симистора управляет слаботочный ключ на составном транзисторе VТ2VТЗ, включённом в диагональ диодного моста VD4—VD7. Резистор R5 в эмиттерной цепи транзистора VТ2 предотвращает работу транзистора VТЗ в режиме с «оборванной» базой при закрытом транзисторе VТ2. Слаботочный ключ включается базовым током транзисто­ра VТ2, протекающим через резистор R4. Как известно, коэффициент пере­дачи тока базы составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи транзисторов, его составляю­щих. У применённых автором транзисторов минимальное значение этого коэффициента равно 30, т. е. коэффи­циент передачи тока базы составного транзистора в данном случае не менее 900, что позволяет применить доста­точно высокоомный резистор R4, при этом потребляемая устройством мощ­ность не превысит 0,15 Вт в режиме ожидания, а после срабатывания фото­реле — значительно меньше.

Светочувствительным элементом яв­ляется фотодиод VD1, в качестве кото­рого применён фотодиод инфракрасно­го диапазона ФД256, имеющий доста­точную чувствительность и в видимой области спектра. На триггере Шмитта DD1.1 выполнен пороговый элемент. Порог срабатывания регулируют подстроечным резистором R1, конденсатор С1 повышает помехоустойчивость уст­ройства. На элементе DD1.2, резисторе R3 и конденсаторе С2 выполнен узел задержки переключения реле, устраня­ющий ложные срабатывания при крат­ковременных засветках фотодиода, на элементе DD1.3 — инвертор для обес­печения необходимой логики работы, на транзисторе VT1 — выходной ключ. Пи­тается микросхема DD1 от параметри­ческого стабилизатора напряжения на стабилитроне VD3 и резисторе R4. Диод VD2 предотвращает разрядку фильт­рующего конденсатора СЗ при сраба­тывании фотореле.

Триггеры Шмитта микросхемы DD1 включены инверторами, и, на первый взгляд, их можно заменить инверторами из элементов 2И—НЕ или 2ИЛИ—НЕ микросхемы К561ЛА7 или К561ЛЕ5. Од­нако в данном устройстве такая замена некорректна. Напряжение на входах эле­ментов DD1.1 и DD1.2 изменяется мед­ленно: у первого — из-за плавного изме­нения уровня естественного освещения, а у второго — из-за большой постоянной времени цепи R3C2. Триггеры Шмитта имеют чёткий порог срабатывания, а у элементов логики в этом месте входной характеристики имеется зона неопреде­лённости, когда один из входных тран­зисторов ещё не успел закрыться, а вто­рой уже начал открываться. В результа­те возникает сквозной ток через тран­зисторы и ток, потребляемый микросхе­мой, резко возрастает. Входная цепь ключа на транзисторах VT2 и VT3 рабо­тает в режиме микротоков, и такое изме­нение режима работы микросхемы при­ведёт к сбоям в работе устройства.

Предлагаемое фотореле работает следующим образом. При подключении его к осветительной сети параллельно штатному выключателю SA1 в течение нескольких полупериодов выпрямлен­ного диодным мостом VD4—VD7 тока будет заряжаться конденсатор СЗ. Ког­да напряжение на нём достигнет напря­жения пробоя стабилитрона VD3 (в ре­жиме микротоков оно меньше напряже­ния стабилизации, нормируемого при токе в несколько миллиампер), откро­ются транзисторы VT2 и VT3. Когда ток через транзисторы достигнет значения, достаточного для открывания симисто­ра VS1, то он откроется, шунтируя и вы­ключатель, и диодный мост VD4—VD7.

Конденсатор СЗ будет подзаряжать­ся в начале каждого полупериода сете­вого напряжения, пока симистор VS1 закрыт. При подключении устройства кон­денсатор С2 разряжен, напряжение на входах элемента DD1.2 равно 0, напря­жение на его выходе — лог. 1, а на выхо­де элемента DD1.3 — лог. О, поэтому полевой транзистор VT1 закрыт и не оказывает никакого влияния на работу устройства.

Дальнейшая работа устройства оп­ределяется уровнем освещения фотодиода VD1. Если он (уровень) недоста­точен, то обратное сопротивление фотодиода велико, на входах элемента DD1.1 присутствует уровень лог. 1, на выходе — уровень лог. 0, и никаких изменений в работе устройства не происходит — в начале каждого полуперио­да сетевого напряжения открывается симистор VS1, подавая напряжение на осветительную лампу EL1.

По мере повышения уровня освеще­ния обратное сопротивление фотодиода VD1 снижается, и в какой-то момент напряжение на нём становится меньше порога срабатывания триггера Шмитта DD1.1 — на его выходе (вывод 3) появля­ется уровень лог. 1, при этом током через резистор R3 начинает заряжаться конденсатор С2. Через несколько десят­ков секунд (зависит от ёмкости конден­сатора С2 и сопротивления резистора R3) напряжение на объединённых вхо­дах триггера Шмитта DD1.2 достигает уровня срабатывания, и на его выходе (вывод 4) появляется уровень лог. 0. В результате элемент DD1.3 переключает­ся, на его выходе (вывод 10) появляется уровень лог. 1 и полевой транзистор VT1 открывается, шунтируя эмиттерные пе­реходы транзисторов VT2 и VT3. В даль­нейшем транзистор VT1 остаётся откры­тым, и через управляющий электрод симистора VS1 протекает ток, ограни­ченный резистором R4 до максимальной амплитуды менее 1 мА, что меньше тока открывания симистора.

При экспериментах по замене симис­тора ТС106-10-10 импортными симисторами выяснилось, что у отдельных эк­земпляров симисторов BT137-600E ток открывания меньше 1 мА, и симистор при нахождении фотореле в режиме ожидания открывается при достижении максимальной амплитуды сетевого на­пряжения, при этом лампа EL1 светит вполнакала. Для нормальной работы фотореле со столь чувствительным симистором сопротивление резистора R4 пришлось увеличить до 1 МОм.

При снижении уровня освещения об­ратное сопротивление фотодиода VD1 увеличивается, напряжение на входах элемента DD1.1 повышается и в какой- то момент триггер Шмитта DD1.1 пере­ключается — на его выходе появляется уровень лог. 0. Конденсатор С2, заря­женный до напряжения питания, начи­нает разряжаться через резистор R3. Через несколько десятков секунд на­пряжение на входах элемента DD1.2 снижается настолько, что элемент DD1.2, а вслед за ним и DD1.3 переклю­чаются, на затворе транзистора VT1 появляется уровень лог. 0, и он закры­вается, прекращая шунтировать эмит­терные переходы составного транзис­тора VT2VT3. В начале каждого полупе­риода он открывается и включает сими­стор VS1 — лампа EL1 при этом светит.

При кратковременных засветках фо­тодиода VD1 (например, фарами про­езжающего автомобиля, вспышками молнии и т. п.) напряжение на полно­стью разряженном конденсаторе С2 не успевает сколько-нибудь существенно измениться — этим достигается высо­кая помехоустойчивость предлагаемо­го фотореле.

О деталях. Транзисторы MJE13002 и диоды 1N4007 извлечены из ЭПРА неисправной КЛЛ. Критерий для заме­ны транзисторов: напряжение коллек­тор—эмиттер — не менее 400 В, макси­мальный ток коллектора — не менее 100 мА, статический коэффициент пе­редачи тока базы h_21э — более 25. Если этот параметр транзисторов менее 25, то сопротивление резистора R4 следу­ет снизить до 200 кОм.

Требования к диодам VD4—VD7 — прямой ток не менее 100 мА, обратное напряжение не менее 700 В. Симистор TC106-10 должен быть не менее 5-го класса по напряжению, т. е. выдержи­вать в закрытом состоянии напряжение не менее 500 В. При замене указанного на схеме симистора импортным не­обходимо учитывать коммутируемую мощность и иметь в виду то, что ток через холодную нить накаливания осве­тительной лампы в 5… 10 раз превыша­ет номинальный. При мощности нагруз­ки свыше 200 Вт симистор необходимо установить на теплоотвод.

Фотодиод ФД256 извлечён из СДУ старого телевизора. Фотодиоды види­мой части спектра очень редко бывают в продаже, поэтому при отсутствии ФД256 стоит поэкспериментировать с ИК-фотодиодами других типов. Крите­рий пригодности — не менее чем деся­тикратное изменение обратного сопро­тивления при изменении освещения. Некоторые ИК-фотодиоды, применяв­шиеся ранее в промышленной аппара­туре, имеют неплохую чувствитель­ность и в видимой части спектра. Очень хороши, например, ИК-фотодиоды, из­влечённые из дымовых пожарных извещателей, например, типа ИП-212, в огромных количествах выбрасываемых при ремонте пожарной сигнализации, выработавшей установленный срок эксплуатации в учреждениях и органи­зациях. Освещать фотодиод при экспе­риментах необходимо светодиодной лампой, имеющей минимальное излу­чение в инфракрасной области спектра.

Стабилитрон VDЗ — любой мало­мощный с напряжением стабилизации 3,3…5 В, диод VD2 — любой маломощ­ный кремневый. Транзистор КП501А за­меним любым из серий КП501, КП504, КП505. Возможная замена микросхемы КР1561ТЛ1 — К561ТЛ1, 564ТЛ1 или импортный аналог CD4093B.

Постоянные резисторы — любого типа указанной на схеме мощности рас­сеяния (мощность рассеяния резисто­ра R4 — 0,5 Вт — выбрана из соображе­ний электрической прочности). Подстроечный резистор при установке устройства внутри помещения — любо­го типа, при расположении вне по­мещения желательно применить резис­тор закрытой конструкции, например, СПО-0,15, СПО-0,5 или СП4-1. Для гер­метизации внутренней полости резистора на валик движка в месте выхода его из корпуса следует нанести слой технического вазелина или консистент­ной смазки ЦИАТИМ.

Конденсаторы С1, СЗ могут быть любых типов, как плёночные, так и кера­мические, С2 — оксидный импортный (номинальное напряжение — 50 В — выбрано значительно выше рабочего из соображений обеспечения хорошей межобкладочной изоляции — чем выше номинальное напряжение, тем лучше изоляция, т. е. меньше ток утечки).

Устройство собрано на фрагменте универсальной макетной платы разме­рами 45×25 мм. При использовании исправных деталей и отсутствии оши­бок в монтаже налаживание сводится к установке подстроечным резистором R1 желаемого порога срабатывания. Для защиты от атмосферных воздействий отрегулированная плата покрыта нитро­лаком в два слоя и помещена в корпус от пожарного извещателя ИП-212, имею­щий неплохой внешний вид.

Автор: К. МОРОЗ, г. Белебей, Башкортостан