Фотореле с функцией таймера

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.

Работа устройства

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.

Конструкция и детали

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!

Литература

1. Одинец А.Л. Фотореле с нестандартным алгоритмом //Электрик. — 2013. — №11. — С.60.

2. Одинец А.Л. Фотореле со специальным алгоритмом //Электрик. — 2015. — №4. — С.48.

Автор: Александр Одинец, г. Минск