В статье рассмотрен автомат, включающий лампу накаливания по звуковому сигналу, на время от 10 сек до 1 минуты. Выдержка продлевается по мере поступления новых звуковых сигналов. Автомат дополнен функциями защиты нити лампы накаливания и регулятором яркости для увеличения её срока службы.
Известные автору конструкции автоматов лестничного освещения далеки от совершенства: они либо сложны схемотехнически, либо содержат микроконтроллер, что требует его прошивки с помощью программатора, либо такие автоматы вообще функционально ограничены и только включают лампу накаливания на заданный промежуток времени по звуковому сигналу. В то же время совершенно необходимо дополнить такой автомат функцией защиты лампы накаливания и регулятором яркости, что обеспечит дополнительную защиту лампы в вечерние часы, когда число потребителей уменьшается, и напряжение в сети возрастает.
Известно, что в большинстве случаев лампа выходит из строя именно в момент включения, ещё не исчерпав свой рабочий ресурс. Происходит это из-за броска тока, когда сопротивление холодной нити в несколько раз меньше, чем в нагретом состоянии. При этом амплитудное значение тока достигает нескольких ампер, что приводит к быстрому разрушению нити. Также замечено, что если эксплуатировать лампу не на максимальной яркости, а при значении 70…80 процентов от максимальной, испарение спирали заметно уменьшается. Поэтому, дополнив автомат регулятором яркости и функцией защиты лампы, можно значительно продлить срок её службы.
Как и в базовом варианте, в данной конструкции, в качестве коммутирующего элемента применён симистор, что, по сравнению с аналогичными, тиристорными вариантами конструкций, позволило сократить число элементов, устанавливаемых на теплоотвод, с пяти до одного. Кроме того, в отличие от базовой версии, микрофонный усилитель выполнен на ОУ, что позволило значительно повысить чувствительность автомата. Также по упрощённой схеме выполнен цифровой таймер, управляющий включением лампы накаливания. В итоге, получился более надёжный автомат (на меньшем числе компонентов), реализующий лучшие характеристики с меньшими аппаратными затратами.
Схема электрическая принципиальная. Схема электрическая автомата показана на рис.1.
Автомат содержит: стабилизатор напряжения 5В на элементах R1…R4, VD2, VD3, C1…C3, DA1; фильтр для питания усилителя на ОУ — элементы R5, C4; одновибратор-схему выделения моментов перехода сетевого напряжения через нуль: R8, R9, DD1.1, DD1.2; схему управления яркостью: VT1, R13, C7, DD1.3, DD1.4; ключевой транзистор VT2 и коммутирующий симистор VS1; одновибратор управления таймером на элементах DD2.1, DD2.2, собственно таймер на элементах R17, C10, DD2.4, а также усилитель сигналов звуковой частоты на ОУ DA1.1 и DA1.2, диодный выпрямитель VD9, VD10, а также интегрирующий конденсатор C16.
Работает автомат следующим образом. При первом включении питания, в отсутствии звуковых сигналов, конденсаторы С6, С10 разряжены. На выходах элементов DD2.5, DD2.6 устанавливается уровень лог.0, который через резистор R19 приводит к постепенной (десятые доли секунды) зарядке конденсатора C6. Также уровнем лог.1 с выхода элемента DD2.3 через резистор R17 заряжается конденсатор C10. Это событие индицирует горящий светодиод HL1.
На катоде стабилитрона VD2 в моменты перехода сетевого напряжения через нуль формируются короткие отрицательные импульсы пилообразной формы. Одновибратор, собранный на элементах DD1.1, DD1.2, формирует из этих импульсов на выходе короткие отрицательные импульсы, но уже прямоугольной формы. Диод VD3 предотвращает влияние заряженного конденсатора C1 на вход одновибратора.
Каждый выходной отрицательный импульс одновибратора через диод VD5 быстро разряжает конденсатор C7 и устанавливает на входах элемента DD1.3 напряжение значительно ниже порогового (около 0,7В). При этом ключевой транзистор VT2 и симистор VS1 закрыты. Лампа выключена. По мере зарядки конденсатора C6, начинает открываться транзистор VT1, а значит, уменьшается сопротивление его перехода эмиттер-коллектор. Это сопротивление, в совокупности с сопротивлением введённой части подстроечного резистора R13, определяет постоянную времени заряда конденсатора C7. А от неё, в свою очередь, зависит яркость лампы. Чем больше постоянная времени R13-C7, тем меньше мощность, отдаваемая в нагрузку, и наоборот. Такой способ управления яркостью лампы называется фазоимпульсным.
При достижении на конденсаторе C7 напряжением порогового значения элемента DD1.3, на его выходе формируется отрицательный перепад, который дифференцируясь цепочкой С8, R14 и инвертируясь элементом DD1.4 приводит к открыванию транзистора VT2 и симистора VS1. Открытый симистор подключает лампу накаливания к сети и лампа зажигается. Яркость лампы накаливания можно установить резистором R13 в пределах 0…70 процентов, чего вполне достаточно для освещения лестничной площадки. Одновременно при яркости не более 70 процентов обеспечивается наиболее благоприятный режим работы нити лампы накаливания.
При отсутствии звуковых сигналов, конденсатор C10 медленно заряжается через резистор R17, поскольку на выходе элемента DD2.3 поддерживается уровень лог.1. При достижении на конденсаторе C10 напряжением порогового значения элемента DD2.4, на его выходе формируется уровень лог.0, что индицирует погасший светодиод, а на выходе элементов DD2.5, DD2.6 устанавливается уровень лог.1, который через диод VD8 быстро разряжает конденсатор С6. Транзистор VT1 при этом закрывается и периодический заряд конденсатора С7 прекращается. Поскольку напряжение на входах элемента DD1.3 при этом остаётся всегда меньше порогового, формирование импульсов управления симистора также прекращается и лампа гаснет. Таким образом, время свечения лампы с заданной яркостью при первом включении автомата, при отсутствии звуковых сигналов, определяется постоянной времени элементов R17, C10.
При появлении звуковых сигналов (звуке шагов, разговоре, открывании дверей) на выходе микрофона формируется переменное напряжение амплитудой несколько милливольт. Оно усиливается двухкаскадным усилителем переменного напряжения на ОУ DA1.1 и DA1.2, выпрямляется диодами VD9, VD10 и сглаживается конденсатором С16, выполняющим роль интегратора. Далее выпрямленное напряжение через резистор R29 поступает на вход одновибратора, выполненного на элементах DD2.1, DD2.2. Этот одновибратор формирует короткий положительный импульс, который инвертируясь элементом DD2.3, через диод VD7 быстро разряжает конденсатор C10 и перезапускает таймер. При этом начинается отсчёт нового временного интервала, длительность которого можно выбирать в пределах от 1 сек до 1 мин подстроечным резистором R17. Практическое значение имеет временной интервал длительностью от 15 сек до 1 мин, который устанавливают при окончательной настройке автомата. Срабатывание таймера индицируется зажиганием светодиода HL1. При этом время включения лампы накаливания в пределах десятых долей секунды устанавливают резистором R19 таким образом, чтобы оно было визуально заметно.
Конструкция и детали. Автомат собран на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита (рис.2) толщиной 1,5 мм из квадратной заготовки размерами 78 х 78 мм.
Для установки в стандартную пластмассовую сетевую разветвительную коробку типа КЭМ5-10-7 в квадратной заготовке вырезаются уголки размерами 13×13мм. В автомате применены постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-2 (R1…R4), МЛТ-0,5 (R6, R7), подстроечные — СП3-38б в горизонтальном исполнении, электролитические конденсаторы — типа К50-35 или аналогичные импортные, неполярные — К10-17. Четыре мощные двухваттные резистора R1…R4 можно заменить одним пятиваттным сопротивлением 18…22 кОм. Микрофон может быть типа CZN-15E, МКЭ-332, МКЭ-333, МКЭ-389-1 (используются в телефонии). На месте транзистора VT1 может работать импортный BC557C или отечественный КТ3107 с индексами «ГМ» или «ЕМ». Транзистор VT2 MJE13001 заменим на КТ538А. На месте VD2 должен работать стабилитрон обязательно с напряжением стабилизации 10В, например, BZX85C10, Д814В, КС510А, иначе потребуется подбор сопротивлений делителя R8-R9. Диоды VD4…VD8 — любые маломощные кремниевые из серий КД503, КД521, КД522. Диоды выпрямителя VD9, VD10 должны быть из серий Д2, Д9 или аналогичные маломощные, но обязательно германиевые. Диодный мост VD1 использован типа KBP210, интегральный стабилизатор — КР1181ЕН5А (78L05). На месте VS1 могут работать симисторы из серий ВТ137, ВТ138, ВТ139 с минимально допустимым напряжением не менее 400В. Светодиод желательно использовать сверхъяркий красного цвета свечения. В качестве теплоотвода используется сама печатная плата, в которой предусмотрено отверстие диаметром 3 мм для фиксации симистора. Все ИМС серии КР1564 (74HCxx) заменимы на соответствующие аналоги серии КР1554 (74ACxx).
Настройка автомата заключается в установке требуемой яркости с помощью резистора R13, времени нарастания яркости лампы от нуля до заданного значения — с помощью резистора R19, чувствительности усилителя — с помощью резистора R24, и времени выдержки таймера — с помощью резистора R17. При мощности лампы накаливания более 100 Вт симистор необходимо установить на небольшой дополнительный теплоотвод из алюминиевой пластины.
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 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DD1 | Микросхема | КР1564ТЛ3 | 1 | 74HC132N | ||
| DD2 | Микросхема | КР1564ТЛ2 | 1 | 74HC14N | ||
| DA1 | Линейный регулятор | КР1181ЕН5А | 1 | 78L05 | ||
| DA2 | Операционный усилитель | TL062 | 1 | |||
| VT1 | Биполярный транзистор | КТ3107ЕМ | 1 | BC557C | ||
| VT2 | Транзистор | КТ538А | 1 | MJE13001 | ||
| VS1 | Симистор | BT138-800 | 1 | |||
| VD1 | Диодный мост | KBP210G | 1 | |||
| VD2 | Стабилитрон | BZX55C10 | 1 | |||
| VD3 | Выпрямительный диод | FR107 | 1 | |||
| VD4-VD8 | Диод | КД522Б | 5 | |||
| VD9, VD10 | Диод | Д9Б | 2 | |||
| HL1 | Светодиод | 1 | ||||
| С1 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ 16 В | 1 | |||
| С2, С16 | Конденсатор | 0.22 мкФ | 2 | |||
| С3 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ 10 В | 1 | |||
| С4 | Электролитический конденсатор | 220 мкФ 10 В | 1 | |||
| С5, С8 | Конденсатор | 1000 пФ | 2 | |||
| С6, С10 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ 10 В | 2 | |||
| С7 | Конденсатор | 0.047 мкФ | 1 | |||
| С9 | Конденсатор | 0.022 мкФ | 1 | |||
| С11, С13 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 2 | |||
| С12, С14, С15 | Конденсатор | 2.2 мкФ | 3 | |||
| R1-R4 | Резистор | 22 кОм | 4 | 2 Вт | ||
| R5 | Резистор | 220 Ом | 1 | |||
| R6 | Резистор | 1 кОм | 1 | 0.5 Вт | ||
| R7 | Резистор | 3.3 кОм | 1 | 0.5 Вт | ||
| R8, R9, R27 | Резистор | 10 кОм | 3 | |||
| R10, R14, R21, R22, R25, R26 | Резистор | 22 кОм | 6 | |||
| R11, R12, R16 | Резистор | 200 кОм | 3 | |||
| R13, R17, R24 | Подстроечный резистор | 470 кОм | 3 | |||
| R15 | Резистор | 2.2 кОм | 1 | |||
| R18, R23 | Резистор | 4.7 кОм | 2 | |||
| R19 | Подстроечный резистор | 100 кОм | 1 | |||
| R20 | Резистор | 12 кОм | 1 | |||
| R28 | Резистор | 1 МОм | 1 | |||
| R29, R30 | Резистор | 100 кОм | 2 | |||
| М1 | Микрофон | 1 | ||||
| EL1 | Лампочка | 220 В | 1 | |||
| FU1 | Предохранитель | 1 А | 1 | |||
| XN1-XN4 | Клемный зажим | 4 | ||||