И снова о сенсорном выключателе…

У многих радиолюбителей “со стажем” сохранились запасы морально устаревших, но вполне работоспособных микросхем и других деталей. Но прямая замена ими современных элементов зачастую не даёт положительных результатов. Автор рассказы­вает, как он решил возникающие проблемы при повторении известных конструкций сенсорных выключателей.

Хочу повернутися до теми, яка вже не раз піднімалася на сторінках журналу. Сенсорні вимикачі, що реагують на дотик руки до сенсорного контакту. Взагалі, сенсорний вимикач — дуже непогана річ, особливо якщо він малогабаритний. Його можна вмонтувати в багато побутові прилади і вмикати/вимикати їх дотиком пальця до металевої деталі на корпусі (іноді вона може бути непомітною).

Для цього найбільше підходять сенсорні вимикачі, керовані дотиком до одиночного сенсора. Такі конструкції, побудовані на мікросхемах серії К561, описані, наприклад, в [1] і [2]. У багатьох радіоаматорів досі збереглися запаси функціонально аналогічних, але морально застарілих мікросхем серії 176. Однак спроби просто замінити ними у згаданих конструкціях мікросхеми серії К561 не привели до позитивних результатів.

Нещодавно мені потрібно виготовити кілька сенсорних вимикачів, а в наявності були тільки мікросхеми К176ТМ2 і К176ТМ1. Купувати спеціально для вимикачів мікросхеми К561ТМ2 не хотілося, тому було вирішено зробити вимикачі на мікросхемах серії К176.

Нашлось также много тринисторов КУ221Г, использовавшихся в цветных телевизорах. При проверке двух десят­ков таких тринисторов оказалось, что всего три из них имеют управляющий ток открывания 30…40 мА, остальные открывались током 80… 150 мА. Но по­скольку тринисторы КУ221Г, вероятно, есть в наличии не только у меня, было решено применить такой тринистор в сенсорном выключателе.

За основу была взята “сенсорная” часть конструкции, описанной в [1]. Силовая часть была полностью пере­работана, причём в разных вариантах. В зависимости от того, где будет при­меняться выключатель, можно вы­брать транзисторный, тринисторный или симисторный варианты. Есть и вариант с использованием микросхе­мы К1182ПМ1, позволяющий плавно включать и выключать лампу накалива­ния. Чтобы управлять мощным электро­прибором, выходной силовой прибор выключателя должен быть снабжён соответствующим теплоотводом. Но при коммутируемой мощности менее 100 Вт теплоотвод не обязателен.

Отже, сенсорний пристрій за схемою зі статті [1] було зібрано на мікросхемі К176ТМ2, але не запрацювало. Його дослідження з допомогою осцилографа показало, що при дотику руки до сенсорного контакту імпульсів на виході формувача імпульсів на тригері 001.1 немає, хоча на його вході присутній наведене тілом людини змінну напругу розмахом 1,7 Ст. Отже, для перемикання тригера К176ТМ2 цього мало. Після додавання на вхід емітерного повторювача на транзисторі амплітуда сигналу на вході тригера зросла майже до напруги живлення і з'явилися імпульси на його виході. Але чіткого перемикання тригера DD1.2 в рахунковому режимі все одно не було.

Була встановлена інтегруюча RC-ланцюг з інверсного виходу тригера на його вхід D для цього затримки сигналу. Після цього пристрій стало стійко працювати. Як показали подальші експерименти, конденсатор з цього ланцюга можна взагалі виключити, цілком достатньо ємності входу D-тригера, яка спільно з резистором забезпечує необхідну затримку сигналу.

Отримана схема сенсорної частини цього варіанту вимикача представлена на рис. 1 (зліва від штрихпунктирной лінією). Хочу особливо відзначити, що в моїй конструкції при підключенні резистора R5 до инверсному виходу (висновку 2) тригера DD1.2 вимикач працював нестабільно.

В якості заміни транзистора КТ312Б підійде будь-який малопотужний транзистор структури n-p-n, наприклад, серій КТ312, КТ315, КТ3102.

Теперь о силовой части этого вари­анта выключателя (на рис. 1 справа от штрихпунктирной линии). Как было упо­мянуто выше, управляющий ток, не­обходимый для открывания тринистора КУ221Г, может достигать 130…150 мА. Но в рассматриваемом случае он течёт через коммутируемую лампу EL1, рези­стор R7 и составной транзистор VT2— VT4 и не нагружает параметрический стабилизатор на стабилитроне VD3, питающий лишь транзистор VT1 и мик­росхему DD1. Благодаря этому сопро­тивление резистора может быть довольно большим. Рассеиваемая им мощность не превышает 0,5 Вт.

Складовою транзистор застосований для управління тріністором з причини того, що високовольтні транзистори 13001 мають коефіцієнт передачі струму бази не більше 40. Використання в ньому трьох транзисторів — не перестраховка. При двох транзисторах для надійного відкривання тріністора VS1 доводилося зменшувати опір резистора R5 до 1 кОм. Це не тільки перевантажувало вихід тригера, але і вимагало зменшити опір резистора R6 до 62 кОм і збільшувати його потужність до 1 Вт.

У наступний варіант вимикача були внесені зміни, необхідні для використання в ньому мікросхеми К176ТМ1, а його силова частина була побудована на симисторе BT134-600. Схема цього варіанту зображена на рис. 2.

Тут на тригер DD1.1 зібраний одновібратор. Тому принцип управління вимикачем став іншим. Розглянутий вище вимикач на мікросхемі К561ТМ2 переходить в протилежний стан у момент дотику до сенсора Е1, подальше утримання пальця на ньому ролі не грає. У варіанті з одновибратором дотик до сенсора для перекладу вимикача в протилежний стан має бути коротким. Якщо ж затримати палець на сенсорі, то через деякий час, що залежить від ємності конденсатора С2, одновібратор сформує наступний імпульс, потім ще один і так далі. Кожен з цих імпульсів буде перемикати тригер DD1.2. Вважати це недоліком можна, подібний алгоритм реалізований, наприклад, у мікросхемі К145АП2. Там короткі торкання сенсора включають і вимикають лампу, а утримання пальця на сенсорі призводить до зменшення або збільшення яскравості її світіння.

Зрозуміло, що в цьому варіанті вимикача може працювати і мікросхему К176ТМ2, якщо входи S її тригерів (висновки 6 і 8) з'єднати з загальним проводом. Хоча в цьому випадку імпульси на виході одновібратора на тригер DD1.1 мають круті перепади, без затримки сигналу, що надходить з інверсного виходу тригера DD1.2 на його вхід D, обійтися не вдалося. Зате необхідну затримку в цьому випадку вносить вхідна ємність силової частини вимикача. Саме тому резистор R4 підключений до инверсному (вивід 2), а не до прямого виходу тригера.

Цей варіант сенсорної частини вимикача найбільш універсальний, оскільки в ньому працюють як мікросхеми К176ТМ1 і К176ТМ2, так і К561ТМ2. В останньому випадку можна відмовитися від емітерного повторювача на транзисторі VT 1.

Тепер детальніше про пропоновані варіанти силової частини. Варіант з тріністором, представлений на рис. 1, докладно описаний раніше. Зрозуміло, що замість КУ221Г можна застосувати будь-який інший тріністор з допустимою напругою в закритому стані не менше 400 В і допустимим струмом у відкритому стані, не меншим, ніж струм комутованій навантаження. При застосуванні більш чутливого тріністора можна збільшити опір резистора R7 аж до декількох килоом. Можливо, в цьому випадку вдасться прибрати один з транзисторів VТ2—VТ4.

При монтаже обязательно проверяй­те назначение выводов транзисторов 13001, оно бывает различным. Вместо диодов КД522Б можно использовать КД522А или любые другие маломощные кремниевые диоды. Диоды 1N4007 заменяются любыми выпрямительными диодами с обратным напряжением не менее 400 В и допустимым прямым током, не меньшим тока нагрузки. Допускается использовать и выпрями­тельные мосты с соответствующими параметрами, например, КЦ402 с индексами А—Г, Ж, И, КЦ405 с такими же индексами или импортные мосты 2W10M, BR810, BC207. Вместо стаби­литрона Д814Б можно установить лю­бой другой с напряжением стабилиза­ции 7…9 В, например, Д814А или 1N4737А, 1N4787А, 1N4797А.

Для комутації потужної навантаження цей варіант не зовсім зручний, оскільки, крім застосування більш потужного тріністора з тепловідводом, потрібні і більш потужні випрямні діоди теж з теплоотводами.

Если планируется управлять только энергосберегающей или светодиодной лампой мощностью не более 15…20 Вт или лампой накаливания мощностью не более 60…75 Вт, можно вообще исклю­чить тринистор, а транзистор VT4 13001 заменить более мощным 13003. При этом теплоотвод не потребуется. Но превышать указанные выше значения мощности нельзя. Во время экспери­ментов транзистор 13003 мгновенно сгорел от пускового тока лампы накали­вания мощностью 150 Вт (около 10 А). Такой же транзистор сгорел при вклю­чении энергосберегающей лампы мощ­ностью 30 Вт.

Вимикач з варіантом силової частини, зображений на рис. 2, завдяки застосуванню чутливого симістора ВТ134-600 має найменше число деталей і невеликі габарити. У ньому можуть бути застосовані й інші сімістори з малим струмом відкривання, наприклад, BT136-600, BTA06-600, BTA10-600 та інші. Якщо використовувати симистор КУ208Г, то бажано вибрати його примірник з найменшим струмом відкривання.

При токе открывания более 5…10 мА придётся уменьшать сопротивление резистора R5 в цепи управляющего электрода симистора. А если напряже­ние питания микросхемы DD1 при открытом симисторе будет падать ниже 3 В, следует увеличить ёмкость конден­сатора С5. При этом нельзя забывать и о коэффициенте передачи тока базы транзистора VT2, управляющего симистором. Он не должен быть меньше 150…200.

Діод КД105Б може бути замінений таким же, але з іншим буквеним індексом або будь-яким выпрямительным діодом з допустимим зворотним напругою не менше 400 В і допустимим випрямленою струмом не менше 0,1 А. Про заміну діодів КД522Б і стабілітрона Д814Б було сказано вище.

Цей варіант силової частини вимикача найбільш підходить для управління потужної навантаженням. Тому переконайтеся, що застосовуваний симистор розрахований на струм споживаний навантаженням, і при необхідності встановіть його на тепловідвід з достатньою площею поверхні розсіювання.

Якщо планується використовувати вимикач для управління звичайною лампою розжарювання, краще зібрати його силову частину на мікросхемі фазового регулятора К1182ПМ1. Вона спеціально призначена для плавного включення і вимикання ламп розжарювання, а також регулювання їх яскравості. Плавне включення продовжить життя лампі, а плавне вимикання додасть комфорту при користуванні світильником. Схема цього варіанту силової частини вимикача представлена на рис. 3.

Детальний опис фазового регулятора К1182ПМ1 є в [3] і [4]. Звичайно, він може і безпосередньо управляти лампою (допустимий струм — 1,2 А), але якщо вона дуже потужна, мікросхема може згоріти (пусковий струм лампи розжарювання в кілька разів більше робочого). Тому для підвищення надійності в розглянутий варіант силової частини вимикача додано симистор VS1. Він може бути будь-яким, головне, щоб відкриває струм управління їм не перевищував 1,2 А. Чим більше цей струм, тим менше повинно бути опір резистора R4, аж до повного його виключення.

Тут можна використовувати і симистор КУ208Г, причому його добірка по струму відкривання не обов'язкова, але потрібно зменшити опір резистора R4 до 470 Ом. Більш докладно про вибір симістора можна прочитати в [5].

Кілька слів про резисторі R5. Для потужних сімісторов, в тому числі і КУ208Г, він не потрібен. А ось при застосуванні імпортних сімісторов з малим струмом відкривання (наприклад, серії BT-134) обійтися без нього не вдасться — симистор буде відкриватися і при відсутності дозволяючого сигналу. Ймовірно, у мікросхеми К118ПМ1 струм витоку в закритому стані зіставимо з струмом відкривання цих симісторів.

Щоб визначити опір резистора R5, необхідно замість нього тимчасово встановити змінний резистор опором 1 кОм. Потім з'єднати висновки 6 і 3 мікросхеми К118ПМ1 і зменшувати опір змінного резистора, поки лампа ЕL1 не згасне. Після цього виміряти введене опір змінного резистора і замінити його постійним резистором найближчого (в меншу сторону).

После подборки резистора R5 необ­ходимо убедиться, что в “разомкнутом” состоянии выключателя симистор пол­ностью закрыт, а напряжение на лампе ЕL1 отсутствует. Дело в том, что при слишком большом сопротивлении ре­зистора R2 на лампу ЕL1 может посту­пать напряжение, даже когда транзис­тор VТ1 полностью открыт. Если это напряжение меньше, чем необходимо для свечения лампы, вы даже не будете знать, что в выключенном состоянии ваша настольная лампа потребляет ток, возможно, и не маленький. Для устра­нения этого дефекта сопротивление резистора R2 необходимо уменьшать.

Нелишне будет измерить напряже­ние на лампе и при “замкнутом” выклю­чателе. Оно должно быть меньше на­пряжения в сети не более чем на 2…3 В. Если оно меньше на пять и более вольт, значит, конденсатор С1 имеет большой ток утечки, и его необходимо заменить.

Для существенного увеличения сро­ка службы лампы накаливания нужно выполнить два условия. Во-первых, её включение должно продолжаться не менее 2…3 с. Это время устанавливают подборкой ёмкости конденсатора С1. Чем она больше, тем медленнее вклю­чается лампа. Во-вторых, питать лампу нужно напряжением 210…215 В, если это допустимо по условиям освещения. Для ограничения максимального на­пряжения параллельно конденсатору С1 подключите не показанный на схеме резистор. Его сопротивление, в зависимости от экземпляра микросхемы К1182ПМ1, может лежать в пределах 82…510кОм. Подбирают его экспери­ментально, глядя на показания подклю­чённого параллельно лампе вольтмет­ра, измеряющего истинное действую­щее значение переменного напряже­ния. Её яркость, конечно, немного сни­зится, но срок службы увеличится зна­чительно. Если вместо этого посто­янного резистора применить перемен­ный, получим сенсорный выключатель с регулировкой яркости.

Выключатель с тринистором или симистором может стать источником помех, поэтому необходимо включить последовательно с ним помехоподав­ляющий дроссель, содержащий пять слоёв обмоточного провода диаметром 0,6…0,7 мм, намотанных виток к витку на ферритовом стержне диаметром 8…10 мм и длиной 25…30 мм.

Всі запропоновані варіанти сенсорних і силових частин вимикачів взаємозамінні і стикуються між собою. Необхідний варіант може бути обраний у залежності від наявності деталей і потужності навантаження, а також за принципом керування вимикачем.

Оскільки пристрій має гальванічну зв'язок з мережею, під час налагодження слід дотримуватися обережності, всі зміни проводити тільки після його відключення від мережі. Бажано під час налагодження пристрою живити його через розв'язують трансформатор. Це убезпечить від ударів електричним струмом, і від пошкодження деталей при випадкових замиканнях на заземлені предмети.

ЛІТЕРАТУРА

1. Єрофєєв Б. Економічний сенсорний вимикач освітлення. — Радіо, 2001, № 10, с. 29,30.
2. Куцев М. Сенсорний вимикач. — Радіо, 1999, № 7. с. 50.
3. Габов С. Автомат керування освітленням. — Радіо, 2003, № 11, с. 43.
4. Нечаєв В. Регулятори потужності на мікросхемі КР1182ПМ1. — Радіо. 2000, № 3, с. 53, 54.
5. Нєміч А. Мікросхема КР1182ПМ1 — фазовий регулятор потужності. — Радіо, 1999, № 7, с. 44-46; 2000, № 9, с. 46.

Автор: А. КАРПАЧОВ, р. Железногорськ Курської обл.