Photorelay with non-standard algorithm and timer function

В статье рассмотрен улучшенный вариант фотореле, полностью исключающий ложные срабатывания от посторонних засветок и необходимость оптической изоляции фотодатчика. Фотореле дополнено функциями защиты лампы накаливания и регулятора мощности, что обеспечивает значительное увеличение её срока службы.

Известные автору схемотехнические решения фотореле с классическим (стандартным) алгоритмом требуют оптичес­кой изоляции фотодатчика посредством расположения фото­диода на удалении от коммутируемой лампы, что требует дополнительной проводки. Кроме того, недостатком класси­ческих фотореле являются ложные срабатывания от посто­ронних засветок (при блеске молнии, засветке фарами авто­мобиля и т.п.), что также является большим недостатком и значительно ухудшает технико-эксплуатационные характери­стики устройства.

Предлагаемый вниманию читателей вариант фотореле с нестандартным алгоритмом полностью свободен от перечис­ленных недостатков, благодаря реализации функции тайме­ра. Как и две базовые версии, рассмотренные в [1] и [2], данное фотореле работает в циклическом режиме с интер­валом отсчёта 20…30 мин, при котором лампа кратковре­менно (на десятые доли секунды) погасает и включается вновь при условии, если уровень внешней освещённости оказыва­ется ниже заданного порога. По сравнению с базовой вер­сией [1], предназначенной для работы со светодиодной лам­пой, а также её усовершенствованным вариантом [2], пред­назначенным для работы с пампой накаливания, в данном варианте фотореле значительно увеличена чувствительность фотодатчика за счёт более высоковольтного питания фотоди­ода (15 В вместо 5 В), а также добавлена схема супервизо­ра питания, улучшающая сброс таймера в исходное состоя­ние и полностью исключающая ложное 20-минутное включе­ние в светлое время суток, в случае длительных провалов напряжения в питающей сети 230 В / 50 Гц.

В отличие от известных конструкций фотореле, данный вариант дополнен функциями защиты (плавного включения) лампы накаливания и регулятора яркости, что является осо­бенно актуальным в вечерние часы, когда число потребите­лей уменьшается, и напряжение в сети возрастает.

Известно, что лампа выходит из строя в большинстве слу­чаев именно в момент включения, ещё не исчерпав свой ра­бочий ресурс, вследствие большого броска тока, амплитуд­ное значение которого может достигать нескольких ампер. Также замечено, что если эксплуатировать лампу не на мак­симальной паспортной мощности в 100%, а несколько сни­зив её до 70…80%, за счёт встроенного регулятора яркос­ти, то можно добиться значительного увеличения срока служ­бы лампы накаливания. Предлагаемое фотореле монтирует­ся в корпусе светильника. При этом, для нормальной рабо­ты устройства, излучение коммутируемой лампы должно па­дать непосредственно на фотодиод.

Work device

Схема электрическая фотореле показана на рис.1.

Фо­тореле содержит:

• стабилизатор и фильтр питания на элементах R1, R2, VD..VD4, DA1, C1…C3;
• схему защиты и фазовый регулятор яркости на элемен­тах DD1…DD1.4, VT1, VD5…VD7, C4…C7, R7…R13;
• фотодиодный усилитель на транзисторах VT3, VT4;
• супервизор питания на транзисторах VT..VT7;
• две RC-цепочки сброса на элементах R17, C8 и R31, C9;
• генератор прямоугольных импульсов на основе триггера Шмитта DD4;
• счётчик-делитель на 2048 на ИМС DD3;
• ключевой транзистор VT2 и коммутирующий симистор VS

При первом включении питания в светлое время суток фотореле включает лампу на 2 секунды, а затем переходит в режим ожидания до момента снижения уровня освещён­ности до заданного порога. При включении в темное время суток пампа также включается на 2 секунды, но затем фо­тореле переходит в нормальный рабочий режим с интерва­лом отсчёта таймера 20 минут, до момента возрастания внеш­ней освещённости до заданного порога.

Рассмотрим работу фотореле, считая, что оно было пер­воначально включено в светлое время суток. В начальный момент времени конденсаторы С8, С9 разряжены. При под­ключении к сети, питающее напряжение на выходе стабили­затора появляется не мгновенно, а нарастает от 0 до 15 В в течение десятых допей секунды. В это время срабатывает супервизор, собранный на транзисторах VТ5..VT7, который формирует короткий отрицательный импульс, при изменении питающего напряжения в пределах 1,5… 10 В.

Такой же отрицательный импульс формируется на вы­ходе супервизора (на коллекторе VТ5) и при снижении питающего напряжения от 10 до 1,5 В. В этом промежут­ке изменения питающих напряжений на выходе элемента DD2.1 поддерживается уровень пог.«1». Конденсаторы С8 и С9 остаются разряженными, благодаря току через дио­ды VD9 и VD10. После достижения питающим напряжением уровня 10 В и выше транзистор VT7 супервизора от­крывается, а VТ6 и VТ5 закрываются. Диоды VD9 и VD10 закрываются и на дальнейшую работу схемы влияния не оказывают. Конденсатор С8 начинает заряжаться через резистор R17, а левая по схеме обкладка конденсатора С9 оказывается подключенной к напряжению источника питания через резистор R26. Теперь конденсатор С9 начинает заряжаться через резистор R31 и на его правой по схеме обкладке формируется короткий импульс поло­жительной полярности, который сбрасывает счётчик DD3 в исходное нулевое состояние.

На выходе старшего разряда счётчика DD3 появляется уровень лог.«0», который разблокирует генератор на элемен­те DD2.4. На счётном входе счётчика появляются прямоуголь­ные импульсы, увеличивающие его состояние. Светодиод НL1 при этом светится постоянно. Одновременно уровень лог. «0» через резистор постепенно заряжает конденсатор С4, что приводит к открыванию транзистора VT1 и плавному зажи­ганию лампы накаливания.

Работой лампы накаливания управляет фазоимпульсный регулятор яркости, собранный на ИМС DD1. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран одновибратор, формирующий из ко­ротких отрицательных импульсов с частотой 100 Гц, снима­емых с диода VD2, короткие отрицательные, но уже прямо­угольные импульсы необходимой амплитуды для работы фа­зоимпульсного регулятора яркости.

В начальный момент времени, при закрытом транзисто­ре VТ1, каждый отрицательный импульс с выхода логическо­го элемента DD1.2 через диод VD6 быстро разряжает кон­денсатор Сб. Напряжение на входе элемента DD1.3 остаётся ниже порогового, поэтому ключевой транзистор VT2 и симистор VS1 закрыты, лампа обесточена. При появлении на выходе старшего разряда счетчика DD3 уровня лог.«0», который приводит к заряду кон­денсатора С4 и открыванию транзистора VТ1, через це­почку VD5-VT1-R11 начинает заряжаться конденсатор С6. Когда напряжение на нём до­стигнет порога переключения логического элемента DD1.3, на его выходе появится от­рицательный перепад напря­жения, который, дифферен­цируясь цепью C7R2 и ин­вертируясь элементом DD1.4, откроет ключевой транзистор VT2, а вслед за ним и симистор VS1. Лампа накалива­ния окажется подключенной к сети переменного напряже­ния 230 В / 50 Гц.

Этот процесс при откры­том транзисторе VТ1 будет по­вторяться с частотой 100 Гц и яркость лампы накалива­ния будет определяться по­стоянной времени R11C6, а значит введённой частью со­противления подстроечного резистора R11. Чем меньше сопротивление резистора R11, тем раньше заряжается конденсатор 06 до порогово­го напряжения элемента

DD1.3, а значит, тем раньше открывается транзистор VT2 и симистор VS1, считая с момента перехода сетевым напря­жением нулевого значения. И, наоборот, чем больше сопро­тивление резистора R11, тем позже заряжается конденсатор С6 до порогового напряжения, а значит, тем меньше яркость лампы накаливания.

После достижения счётчиком DD3 2048-го состояния, на выходе его старшего разряда появляется уровень лог.«1», ко­торый через цепочку VD12-R24 быстро заряжает конденсатор С8 и устанавливает на выходе DD2.3 уровень лог.«1». Тран­зистор VT8 открывается и подключает нижний по схеме вы­вод конденсатора C10 к общему проводу. Благодаря этому сле­дующий запуск генератора произойдёт уже на частоте около 2 Гц. Одновременно уровень лог.«1» через диод VD7 быстро разряжает конденсатор С4 и закрывает транзистор VT1. Фа­зоимпульсный регулятор яркости переходит в режим ожида­ния, а лампа накаливания — в выключенное состояние.

Как отмечено выше, излучение лампы должно быть на­правлено на фотодиод VD8. Если уровень внешнего освещения при выключении лампы окажется достаточно высоким (в светлое время суток), то перезапуска таймера не произойдёт и пампа останется в выключенном состоянии. При этом фо­тодиод VD8 будет засвечен, и сопротивление его перехода будет относительно невысоким, а транзисторы VT3 и VT4 бу­дут оставаться в открытом состоянии и на верхнем по схеме входе элемента DD2.1 будет поддерживаться уровень лог.«1».

При снижении уровня внешней освещённости до задан­ного резистором R15 уровня, сопротивление перехода фото­диода VD8 возрастёт настолько, что транзисторы VT3 и VT4 закроются, и на верхнем по схеме входе элемента DD2.1 бу­дет сформирован уровень лог.«0». Соответственно на выхо­де DD2.1 будет сформирован положительный перепад напря­жения, который, дифференцируясь цепочкой C9R31, обнулит счётчик DD3 и разблокирует генератор DD2.4. Как отмечено выше, генератор заработает на частоте около 2 Гц и таймер начнет отрабатывать выдержку около 20 мин. (точное значе­ние 17 мин. 4 сек. при частоте вспышек светодиода 1 герц).

После завершения выдержки, вышеописанный процесс по­вторится: лампа погаснет на десятые доли секунды и вклю­чится вновь, при условии, если уровень внешней освещённо­сти окажется ниже заданного порога (в тёмное время суток). Так будет повторяться с интервалами 20 минут и так до тех пор, пока уровень внешней освещённости в момент очеред­ного выключения пампы не достигнет заданного порога. При этом перезапуска таймера не произойдёт, и лампа будет ос­таваться в выключенном состоянии до момента уменьшения уровня внешней освещённости до заданного порога.

The design and details

Фотореле собрано на печатной плате из двустороннего 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 (R3, R4), подстроечные (R11, R15, R32) — типа СП3-386 в горизонтальном исполнении, осталь­ные — МЛТ-0,125.

Конденсаторы неполярные типа К10-17, оксидные типа К50-35 или импортные.

Интегральный стабилизатор DA1 — типа КР1181ЕН15А (78L15). ИМС КР1561ТЛ1 заменима на импортный аналог CD4093BN, а КР1561ИЕ20 — на CD4040BN.

Транзистор VT1 должен быть из серии КТ3107ГМ, ЕМ или ВС557С. Транзистор VT2 КТ538А заменим MJE13001. Тран­зисторы VT3, VT5, VT7 должны быть из серии КТ3102ГМ, ЕМ или ВС547С. Транзисторы VT4, VT6 могут быть из серии КТ3107 с любыми индексами или импортные из серии ВС557. Транзистор VT8 может быть из серий КТ503 или КТ3102 с любыми индексами.

Стабилитрон VD2 должен быть с напряжением стабили­зации 18 В, например, BZX85C18, КС518А или аналогичный. От его напряжения стабилизации зависит правильная рабо­та схемы идентификации нуля. При использовании стабилитрона с другим напряжением стабилизации, необходимо по­добрать номиналы резисторов делителя R5-R6, таким обра­зом, чтобы напряжение на входе DD1.1 не превышало 15 В.

Фотодиод использован типа ФД263. Диоды VD2, VD4 ма­лой или средней мощности должны быть с минимально до­пустимым рабочим напряжением не менее 400 В. Диоды VD5…VD7, VD9…VD13 могут быть любыми маломощными кремниевыми из серий КД503, КД521, КД522, 1N4148 или ана­логичные. Для распайки переключателя SA1 типа П1Т-1-1В на плате предусмотрены отверстия соответствующей конфи­гурации. 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. При этом теп­лоотводом служит сама печатная плата, в которой предусмо­трено отверстие диаметром 3 мм для фиксации симистора.

Настройка фотореле

Она заключается в установке требуемой чувствительнос­ти подстроечным резистором R15, яркости лампы — резис­тором R11, и времени выдержки — резистором R32. При на­стройке лампу EL1 направляют на фотодиод и подключают автомат к сети. Максимальную яркость лампы устанавлива­ют резистором R11 в основном режиме при показанном на схеме положении переключателя SA1. Подстройкой резисто­ра R11 устанавливают максимальную яркость на уровне око­ло 70…80 % от максимальной паспортной яркости лампы.

Подстроечным резистором R32 добиваются мигания све­тодиода с частотой около 1 Гц. Затем фотореле отключают от сети (!) и переводят в сервисный режим переключением SA1 в нижнее по схеме (замкнутое) положение. Лампа долж­на быть направлена на фотодиод, а уровень внешнего осве­щения должен быть минимальным (как в тёмное время суток).

Автомат вновь подключают к питающей сети и подстрой­кой резистора R15 устанавливают максимальную чувстви­тельность. Теперь при низком уровне внешней освещённос­ти лампа должна кратковременно погасать и включаться с периодом около 2 секунд. 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 (после отклю­чения его от сети!) переключением SA1 в верхнее по схе­ме (разомкнутое) положение. На этом настройка заверше­на. Фотореле готово к работе.

Внимание! Устройство не имеет гальванической раз­вязки от сети! При настройке фотореле следует помнить, что все элементы находятся под напряжением сети. Следует из­бегать прикосновения к элементам схемы! Отвёртку необхо­димо использовать с ручкой из изоляционного материала!

Литература.

1. Одинец А.Л. Фотореле с нестандартным алгоритмом. // Электрик. — 2013 г. — №11 — С.60.
2. Одинец А.Л. Фотореле со специальным алгоритмом. // Электрик. — 2015 г. — №4 — С.48.

Author: Александр Одинец, г. Минск
Source: Журнал Электрик №7-8, 2016