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.
Работа устройства
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.
Конструкция и детали
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 Iс=4 А, максимально допустимое напряжение сток-исток UС-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.
Литература
- 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