Аннотация. В статье рассмотрен улучшенный вариант фотореле, полностью исключающий ложные срабатывания от посторонних засветок и необходимость оптической изоляции фотодатчика. Автомат дополнен функциями защиты лампы накаливания и регулятора мощности, что обеспечивает значительное увеличение её срока службы.
Общие сведения. Опыт эксплуатации базового варианта фотореле показал значительное сокращение срока службы лампы накаливания, по сравнению с обычным режимом, когда лампа горит непрерывно. Происходит это из-за, так называемого, «термоциклирования» нити в результате периодического кратковременного отключения лампы в процессе работы фотореле. Существенно облегчить режим работы лампы, а значит, и продлить срок её службы, удалось благодаря ограничению броска тока в момент включения и предварительному разогреву нити накаливания небольшим током. Обеспечивается это благодаря регулятору мощности, входящему в состав фотореле. Ещё больше продлить срок службы лампы накаливания можно, если эксплуатировать её не на максимальной паспортной мощности в 100 процентов, а несколько снизив её, до 75…80 процентов, за счёт встроенного регулятора яркости.
Как и в базовом варианте, данное фотореле работает в циклическом режиме с интервалом отсчёта 20…30 минут, по прошествии которого, лампа кратковременно, на десятые доли секунды погасает, а затем включается вновь, при условии, если уровень внешнего освещения окажется ниже заданного порога. При этом излучение коммутируемой лампы накаливания может быть направлено на фотодиод в режиме работы.
Схема электрическая принципиальная. Схема электрическая фотореле показана на рис.1.
Сигнал с фотодиода VD7 поступает на пороговый компаратор, выполненный на инверторе DD2.1 с триггером Шмитта. Когда уровень внешнего освещения снижается, сопротивление перехода фотодиода возрастает и напряжение на входе элемента DD2.1 также возрастает. Когда оно достигнет порога переключения DD2.1, этот элемент переключается в нулевое состояние, а DD2.2 — в единичное. Уровень лог.1 с выхода DD2.2 через резистор R24 воздействует на вход DD2.3 и приводит к формированию на выходе одновибратора короткого положительного импульса длительностью около 15 мс. Этот импульс обнуляет счётчик DD3 и разблокирует задающий генератор, собранный на элементах DD2.5 и DD2.6. Работу генератора индицирует мигающий светодиод HL1 красного цвета.
Одновременно уровень лог.0 с выхода старшего разряда счётчика DD3 (вывод 1) открывает транзистор VT1 и закрывает VT3. Через резистор R6 начинает заряжаться конденсатор C4. При достижении на нём напряжения около 1,5В открывается транзистор VT2 и параллельно конденсатору C6 подключается цепочка из двух последовательно включенных резисторов R11 и R12.
Для работы регулятора яркости в схему введён узел выделения момента прохождения сетевым напряжением нулевого значения (момента перехода через ноль), 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 VD5 и через делитель R3, R4 подаются на вход одновибратора (DD1.1, DD1.2). Он необходим для формирования стабильных по длительности, но уже прямоугольных отрицательных импульсов, которые открывают транзистор VT4 для последующей подзарядки конденсатора C7 в моменты начала каждого полупериода сетевого напряжения.
Минимальный уровень яркости (для прогрева нити в режиме ожидания) задаётся подстроечным резистором R15. Чем меньше его сопротивление, тем раньше разряжается конденсатор C6, после закрывания транзистора VT4, и формируется управляющий симистором VS1 импульс, а значит, тем больше яркость лампы накаливания. В период отработки таймером временного интервала, параллельно резистору R15 и конденсатору C6 включается цепочка R11-R12. C помощью подстроечного резистора R11 задаётся максимальная (рабочая) яркость лампы накаливания. Таким образом, введённые сопротивления резисторов R11 и R15 определяют постоянную времени разряда конденсатора C6, а значит, результирующую яркость лампы.
После завершения импульса одновибратора и закрывания транзистора VT4, конденсатор C6 начинает разряжаться. Когда напряжение на входе элемента DD1.3 достигает порога переключения, на его выходе формируется положительный перепад, который, дифференцируясь цепочкой C7-R16, вызывает формирование на выходе логического элемента DD1.4 короткого отрицательного импульса длительностью около 8,5 мкс. После инвертирования транзистором VT5 и усиления VT6, открывается симистор VS1, который подключает лампу накаливания к сети.
После достижения счётчиком DD3 своего 2048-го состояния, на выходе его старшего разряда (вывод 1) формируется уровень лог.1, который блокирует работу генератора, закрывает транзистор VT1 и открывает VT3. Конденсатор C4 быстро разряжается через резистор R9 и автомат кратковременно (на доли секунды) переходит в режим ожидания с минимальным током прогрева нити накаливания, определяемым резистором R15.
Если при этом уровень внешнего освещения оказывается недостаточным (в ночное время суток или ранним утром), то вновь срабатывает пороговый компаратор DD2.1, одновибратор (DD2.3, DD2.4), обнуляется счётчик DD3 и перезапускается генератор (DD2.5, DD2.6). Такой циклический режим работы повторяется с интервалами 17 минут и 4 секунды, при частоте генератора 2 Гц, что индицирует мигающий с частотой 1 Гц светодиод HL1. Лампа будет гореть до тех пор, пока уровень внешней освещенности не достигнет порога. Если при очередном кратковременном выключении лампы, сопротивление фотодиода VD7 окажется достаточно низким (высокая освещённость), то напряжение на входе компаратора DD2.1 окажется ниже порога его переключения. Одновибратор (DD2.3, DD2.4) останется в исходном состоянии, а генератор (DD2.5, DD2.6) и счётчик DD3 будут находиться в режиме останова. 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 из квадратной заготовки размерами 78×78 мм (рис.2). От неё впоследствии отрезаются квадратные уголки размерами 13×13 мм для установки в стандартную сетевую пластмассовую разветвительную коробку КЭМ5-10-7 белого цвета. 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), подстроечные (R6, R11, R15, R28) — типа СП3-38б в горизонтальном исполнении, остальные — МЛТ-0,125, конденсаторы неполярные типа К10-17, электролитические типа К50-35 или импортные, интегральный стабилизатор DA1 — типа КР1181ЕН5А (78L05). Мощные двухваттные резисторы R1 и R2, включенные параллельно, можно заменить одним пятиваттным сопротивлением 16…20 кОм. Все ИМС серии КР1564 (74HCxx) заменимы на КР1554 (74ACxx), а КР1564ИЕ20 (74HC4040N) также на КР1561ИЕ20 (CD4040BN). Соответствующие транзисторы VT1…VT5 могут быть из серий КТ502, КТ503, КТ3102, КТ3107 или импортные из серий BC547, ВС557 с любыми индексами. Транзистор VT6 должен быть с рабочим напряжением не менее 400В, например, MJE13003 или аналогичный средней мощности. Стабилитрон VD5 должен быть с напряжением стабилизации обязательно 10В, например, BZX55C10, BZX85C10 или аналогичный. От его напряжения стабилизации зависит правильная работа схемы идентификации нуля. Светодиод — сверхъяркий красный, диаметром 5 мм, фотодиод — типа ФД263. Переключатель SA1 использован типа П1Т-1-1В. Для его распайки на плате предусмотрены отверстия соответствующей конфигурации. Диоды VD1…VD4 — с минимальным рабочим напряжением не менее 400В. Симистор VS1 может быть из серий BT137, BT138, BT139 с рабочим напряжением не менее 400В. При мощности лампы накаливания более 100 Вт его необходимо установить на алюминиевый теплоотвод.
Настройку фотореле производят как в сервисном, так и в основном рабочем режимах. Первое включение фотореле производят, при разомкнутом переключателе SA1 в основном рабочем режиме. При подаче питания должен мигать светодиод HL1. Частоту его вспышек устанавливают резистором R28 около 1 Гц. Если при подаче питания светодиод не мигает, необходимо отключить фотореле от сети, а затем включить его вновь. Такую неопределённость вносит отсутствие в устройстве схемы сброса счётчика. Поэтому он может установиться с равной вероятностью в любое состояние. Отсутствие схемы сброса влияет только на длительность первого интервала отсчёта с момента включения, но на дальнейшей работе в основном режиме никак не сказывается. Далее фотореле переводят в сервисный режим замыканием контактов переключателя SA1. Лампу EL1 направляют на фотодиод и подают питание. В таком режиме лампа должна загораться и кратковременно гаснуть с периодом 2 секунды (задаётся резистором R27). Последовательно подстраивая резисторы R11 и R15, устанавливают максимальный и минимальный уровни яркости, когда лампа загорается и кратковременно гаснет, соответственно. Настройкой резистора R15 добиваются едва заметного свечения лампы, а резистором R11 устанавливают яркость на уровне 70…80 процентов. В завершении процедуры настройки, резистором R6 устанавливают время нарастания яркости в пределах 0,5…1 секунды, 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, а свечение нити лампы должно быть едва заметно. Затем фотореле переводят в основной рабочий режим размыканием (при отключенной сети!) выключателя SA1. На этом настройка завершена. Фотореле готово к работе.
Внимание! Устройство не имеет гальванической развязки от сети! При настройке автомата следует помнить, что все элементы находятся под напряжением сети. Следует избегать прикосновения к элементам схемы! Отвёртку необходимо использовать с ручкой из изоляционного материала!
Отзывы и вопросы по усовершенствованию данного устройства читатели могут направлять в комментарии или через личные сообщения на сайте.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA1 | Линейный регулятор | КР1181ЕН5А | 1 | 78L05 | ||
| DD1 | Микросхема | КР1564ТЛ3 | 1 | 74HC132N | ||
| DD2 | Микросхема | КР1564ТЛ1 | 1 | 74HC14N | ||
| DD3 | Микросхема | КР1564ИЕ20 | 1 | 74HC4040N | ||
| VT1, VT4, VT5 | Биполярный транзистор | КТ502Б | 3 | |||
| VT2 | Биполярный транзистор | КТ3102БМ | 1 | |||
| VT3 | Биполярный транзистор | КТ503Б | 1 | |||
| VT6 | Биполярный транзистор | КТ940А | 1 | |||
| VS1 | Симистор | BT138-800 | 1 | |||
| VD1-VD4, VD6 | Выпрямительный диод | FR107 | 5 | |||
| VD5 | Стабилитрон | BZX55C10 | 1 | |||
| VD7 | Фотодиод | 1 | ||||
| VD8, VD9 | Диод | КД522Б | 2 | |||
| HL1 | Светодиод | 1 | ||||
| С1, С3 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ 16 В | 2 | |||
| С2 | Конденсатор | 0.47 мкФ | 1 | |||
| С4 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ 10 В | 1 | |||
| С5 | Конденсатор | 680 пФ | 1 | |||
| С6, С8 | Конденсатор | 0.047 мкФ | 2 | |||
| С7 | Конденсатор | 560 пФ | 1 | |||
| С9 | Конденсатор | 0.022 мкФ | 1 | |||
| С10 | Конденсатор | 2.2 мкФ | 1 | |||
| R1, R2, R17, R29 | Резистор | 33 кОм | 4 | 2 Вт | ||
| R3, R4, R14, R18 | Резистор | 10 кОм | 4 | |||
| R5, R10, R13, R16 | Резистор | 22 кОм | 4 | |||
| R6 | Подстроечный резистор | 100 кОм | 1 | |||
| R7, R8 | Резистор | 200 кОм | 2 | |||
| R9 | Резистор | 510 Ом | 1 | |||
| R11, R15 | Подстроечный резистор | 470 кОм | 2 | |||
| R12 | Резистор | 4.7 кОм | 1 | |||
| R19 | Резистор | 1 кОм | 1 | |||
| R20 | Резистор | 2.2 кОм | 1 | |||
| R21 | Резистор | 1.5 кОм | 1 | 0.5 Вт | ||
| R22 | Резистор | 15 кОм | 1 | 0.5 Вт | ||
| R23 | Резистор | 4.7 МОм | 1 | |||
| R24, R25 | Резистор | 100 кОм | 2 | |||
| R26 | Резистор | 75 кОм | 1 | |||
| R27 | Резистор | 150 Ом | 1 | |||
| R28 | Подстроечный резистор | 330 кОм | 1 | |||
| SA1 | Выключатель | 1 | ||||
| XN1-XN4 | Клемма | 4 | ||||
| FU1 | Предохранитель | 1 А | 1 | |||
| EL1 | Лампочка | 220 В | 1 | Нагрузка | ||