Цифровой автомат плавного включения люстры на симисторе

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.

Работа устройства

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.

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.

Конструкция и детали

Автомат собран на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм размерами 55×120 мм (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
Источник: Электрик №5/2016