Автоматы лестничного освещения с акустическим датчиком и функцией таймера

Аннотация. В статье рассмотрены: акустический автомат, включающий по звуковому сигналу лампу накаливания на заданное время, а также автомат-эконом электроэнергии, снижающий вдвое яркость лампы по прошествии полупериода времени отсчёта, а по прошествии всего интервала отсчёта, переходящий в экономичный режим ожидания до следующего включения.

Общие сведения. Значительно увеличить срок службы лампы накаливания можно, только обеспечив наиболее благоприятный режим её работы. Как известно, разрушение нити лампы накаливания происходит в большинстве случаев именно в момент включения, когда сопротивление нити в холодном состоянии почти в 10 раз меньше, чем в разогретом. Разогрев нити происходит в течение нескольких полупериодов сетевого напряжения, поэтому при включении происходит большой бросок тока, достигающий по амплитуде нескольких ампер. Применение тиристорного регулятора яркости с фазоимпульсным управлением в составе автомата лестничного освещения позволяет исключить бросок тока, а также ограничить максимальное напряжение в вечерние часы, когда оно возрастает по причине уменьшения числа потребителей. Такой автомат можно дополнить акустическим датчиком и функцией таймера, что позволит при появлении звукового сигнала включать лампу накаливания с максимальной яркостью на время от 5 секунд до 2 минут. Кроме того, ограничение по времени включения лампы накаливания позволяет достичь дополнительной экономии электроэнергии.

Первый вариант автомата, рассматриваемый в данной статье, представляют собой так называемый «трёхполюсник», т.е. имеющий три выходных контакта, а второй автомат — «двухполюсник», что позволяет включать его последовательно с лампой накаливания без необходимости дополнительной проводки. Стандартную сетевую разветвительную коробку, в которую устанавливается каждый из автоматов, можно разместить в любом удобном месте, обеспечив хорошую вентиляцию коммутирующим элементам в целях пожарной безопасности.

Первый вариант автомата с акустическим датчиком (микрофоном), схема электрическая которого показана на рис.1, при звуке шагов, хлопке закрываемой двери и других достаточно громких звуках автоматически включает свет на лестничной площадке, в арке или где-нибудь в подсобном помещении.

После прекращения звуков производится выдержка времени (от 5 сек до 2 мин), после чего освещение выключается. Автомат обладает высокой чувствительностью, питается непосредственно от осветительной сети и не требует применения дополнительных стабилизаторов. Работает он следующим образом. При появлении звукового сигнала, переменное напряжение амплитудой несколько милливольт с выхода микрофона через разделительный конденсатор C1 поступает на двухкаскадный усилитель, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, и после усиления до напряжения 6…7 В, через разделительный конденсатор C4 поступает на входы триггера Шмитта DD1.1, который формирует на выходе прямоугольные импульсы положительной полярности. Каждый такой импульс открывает эмиттерный повторитель VT3, усиливающий сигнал по току, и быстро заряжает конденсатор C5. На входах элемента DD1.2 формируется уровень лог.1, который, инвертируясь, закрывает ключевой транзистор VT4 и формирует на его коллекторе, благодаря резистору R12, напряжение уровня лог.1, разрешающее работу схемы управления коммутирующим тиристором VS1.

Для коммутации лампы накаливания используется узел на основе цифрового компаратора, рассмотренный в [1], который реализует наиболее экономичное импульсное управление тиристором в моменты перехода сетевого напряжения близкие к нулю. Опыт повторения автором данной конструкции показал полную неработоспособность данного автомата по приведённой в [1] схеме двухполюсника, однако схемотехническое решение управления коммутирующим тиристором заслуживает внимания, так как позволяет значительно повысить экономичность автомата и рассеивание мощности на балластном резисторе за счёт управления тиристором импульсным, а не постоянным током. Рассмотрение причин неработоспособности оригинальной конструкции [1] выходит за рамки данной статьи, но здесь отметим, что автору всё-таки удалось заставить работать данный автомат управления освещением, но только включив его по схеме «трёхполюсника».

В схеме на рис.1 на элементах DD1.3 и DD1.4 выполнен вышеназванный компаратор, срабатывающий при каждой полуволне сетевого напряжения в момент, когда её значение достигает порога переключения элемента DD1.3 (примерно половина питающего напряжения ИМС). При этом на выходе элемента DD1.4 формируются положительные импульсы, равные по длительности времени открывания тиристора. Каждый такой импульс открывает транзистор VT5. Вслед за ним открывается и тиристор VS1 и подключает лампу накаливания последовательно с диодным мостом. Но после этого напряжение на тиристоре уменьшается примерно до 1,5 В, что приводит компаратор, собранный на элементах DD1.3 и DD1.4, в исходное состояние, напряжение с выхода которого закрывает транзистор VT5. Тиристор же остается в открытом состоянии до тех пор, пока сетевое напряжение не перейдет через «нуль». Затем начинается вторая полуволна сетевого напряжения и описанный процесс повторяется.

Ток протекает через транзистор VT5, а значит и подается на управляющий электрод тиристора только в течение времени, необходимого для открывания тиристора — нескольких десятков микросекунд. Таким образом, тиристор открывается коротким мощным импульсом тока с небольшой задержкой после начала каждой полуволны сетевого напряжения. Это и обеспечивает устройству высокую экономичность, а тиристору — надёжное включение.

После исчезновения звукового сигнала конденсатор C5 начинает постепенно разряжаться, и когда напряжение на нём снизится до порога переключения элемента DD1.2, напряжение на коллекторе транзистора VT4 упадёт до нуля, и лампа накаливания погаснет. При появлении новых звуковых сигналов открывающийся транзистор VT3 будет подзаряжать конденсатор C5 и время выдержки будет продлеваться. Время задержки свечения лампы накаливания определяется ёмкостью конденсатора C5 и величиной введённой части сопротивления подстроечного резистора R9 и может изменяться в пределах от 5 секунд до 2 минут.

Конструкция и детали. Данный автомат собран на печатной плате (рис. 2) из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм из квадратной заготовки размерами 78 x 78 мм.

Для установки в стандартную пластмассовую сетевую разветвительную коробку типа КЭМ5-10-7 в квадратной заготовке вырезаются уголки размерами 13 x 13 мм. В автомате применены постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,5 (R15), МЛТ-2 (R18), подстроечный — СП3-38б, электролитические конденсаторы — типа К50-35 или аналогичные импортные, неполярные — К10-17. Микрофон может быть типа CZN-15E, МКЭ-332, МКЭ-333, МКЭ-389-1 (используются в телефонии). На месте стабилитрона VD1 могут работать Д814В (Г, Д), Д810, Д811, Д812, а также КС510, КС512 или аналогичные маломощные с напряжением стабилизации 10…12 В. Диод VD2 — любой маломощный кремниевый из серий КД503, КД521, КД522 — он ограничивает напряжение, подводимое к входу элемента DD1.3 с делителя R13-R15 уровнем, чуть превышающим (на величину прямого напряжения диода VD2) напряжение питания микросхемы. Диод VD3 — типа КД105 с индексами «Б», «В», «Г» или Д226 с индексами «Б», «В» или КД209 с индексами «А», «Б», «В». Диоды моста VD4…VD7 могут быть из серии КД226 с индексами «Г», «Д», «Е» или другие с минимально допустимым током не менее 1 А и обратным напряжением не менее 400 В. На месте тиристора VS1 могут работать КУ201 с индексами «К», «Л», «М» (при мощности нагрузки до 300 Вт), а также КУ202М, КУ202Н (при мощности нагрузки до 2 КВт). Во втором случае диоды выпрямительного моста должны быть рассчитаны на ток не менее 10 А и все силовые элементы должны устанавливаться на теплоотводящие радиаторы. Транзисторы VT1, VT2 должны быть из серии КТ3102 с индексом «ЕМ» или импортные ВС547, но обязательно со статическим коэффициентом передачи тока не менее 400; VT3…VT5 — из серий КТ3102, КТ503 с любым буквенным индексом. Микросхема К561ТЛ1 (CD4093AN) заменима на КР1561ТЛ1 (CD4093BN).

Автомат в настройке практически не нуждается, за исключением установки желаемого времени задержки свечения лампы накаливания после исчезновения звукового сигнала с помощью резистора R9. Для получения еще большей чувствительности (для срабатывания на шёпот) в устройство устанавливают резистор R7 сопротивлением 2,2 МОм, показанный на схеме штриховой линией.

Схема электрическая второго варианта автомата лестничного освещения, предназначенного для ступенчатого снижения яркости лампы, приведена на рис.3. В его составе используется тиристорный регулятор яркости с фазоимпульсным управлением, рассмотренный в [2], но для нормальной работы автомата и обеспечения питающих напряжений в состав регулятора введена цепочка последовательно включенных резисторов R29-R30, задающая начальную яркость свечения лампы накаливания на уровне 10…15%. Это необходимо для получения стабильного питающего напряжения автомата «+5В».

Автомат обеспечивает ступенчатое снижение яркости лампы накаливания по прошествии половины выдержки времени, а после полного завершения отсчёта всего временного интервала переходит в режим пониженного энергопотребления с минимальной яркостью лампы. Длительность выдержки может составлять от 1 до 18 часов. Соответственно полупериод отсчёта составляет от 30 минут до 9 часов. По прошествии полупериода отсчёта яркость лампы снижается вдвое, к примеру, до 50% от максимальной, в зависимости от положения движка подстроечного резистора R28, что исключает превышение максимально допустимого напряжения в вечерние часы, когда число потребителей сокращается, и напряжение в сети возрастает.

Благодаря применению фазоимпульсного регулятора яркости в своём составе, автомат обеспечивает плавное нарастание тока в момент включения, в течение 1 сек, что исключает бросок тока, благодаря плавному разогреву нити накаливания. Данный автомат (рис.3) использует фазоимпульсное управление моментом включения тиристора, что определяет мощность, отдаваемую в нагрузку. Сущность фазоимпульсного метода заключается в изменении задержки до момента открывания тиристора, считая с момента перехода сетевого напряжения через нуль. Чем раньше открывается тиристор, тем больше мощность, отдаваемая в нагрузку, и, наоборот, чем позже открывается тиристор, тем меньше мощность, отдаваемая в нагрузку.

В начальный момент времени, когда сетевое напряжение близко к нулю, конденсатор C7 разряжен, транзисторы VT4, VT5, VT6 и тиристор VS1 закрыты. После завершения зарядки конденсатора C7, транзистор VT4 полностью открыт, и момент открывания тиристора определяется только постоянной времени цепи R27-R29-R30-C8. По мере заряда конденсатора С8, падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT5 возрастает. При достижении значения около 0,6 В, начинает приоткрываться транзистор VT6, поскольку в его базовой цепи начинает протекать ток. Это приводит к еще большему увеличению тока базы транзистора VT5 и лавинообразному включению транзисторов VT5, VT6 и тиристора VS1. Момент появления тока управляющего электрода тиристора VS1 определяет мощность, отдаваемую в нагрузку.

В момент подачи питания выключателем SA1 падение напряжения на лампе накаливания максимально, и так как в состав параметрического стабилизатора введены балластные конденсаторы C5, C6 относительно небольшой емкости, зарядка конденсатора C4 происходит не сразу, а в течение десятых долей секунды. По этой причине, постоянная времени интегрирующей цепи R4-C2 выбрана несколько больше времени установления питающего напряжения «+5В» на выходе интегрального стабилизатора DA1 для обеспечения надежного обнуления счетчиков DD2 и DD3 в момент включения питания. После установления питающего напряжения «+5В», на входе инвертирующего элемента DD1.3 с триггером Шмитта еще некоторое время (определяется номиналами R4, C2) поддерживается уровень лог.0, который после инвертирования этим элементом обнуляет счетчики DD2 и DD3.

После установки счетчиков DD2 и DD3 в нулевое состояние на выходе «Q12» счётчика DD3 (вывод 1) старшего разряда появляется уровень лог.0, который, инвертируясь элементом DD1.5, закрывает диод VD8 и, благодаря уровню лог.1 с выхода элемента DD1.6, открывается ключевой транзистор VT1. Нижний по схеме вывод резистора R18 оказывается подключенным к общему проводу и начинается зарядка конденсатора C7. Яркость лампы накаливания возрастает в течение 1 сек до максимального значения, определяемого сопротивлением резистора R27. Для указанного на схеме номинала R27 максимальное значение яркости составляет около 80%. Таким образом, при первом включении автомата лампа накаливания горит с максимальной яркостью 80% в течение полупериода отсчёта временного интервала. Ещё большую яркость лампы (до 95%) можно обеспечить, только включив автомат по схеме «трёхполюсника», как в случае первого варианта автомата (рис.1). Для автомата лестничного освещения ограничение максимальной яркости не принципиально, поскольку большой яркости освещения обычно не требуется, но, в случае необходимости, компенсировать потерю яркости можно за счёт установки лампы накаливания большей мощности.

Одновременно уровень лог.1 с выхода элемента DD1.5 закрывает диод VD1 и разрешает работу генератора, собранного на элементах DD1.1, DD1.2, R1…R3, С1. Импульсы положительной полярности являются счётными для DD2, а импульсы с его выхода — счётными для DD3, который при достижении 1024 состояния формирует на выходе своего предпоследнего разряда «Q11» (вывод 15) уровень лог.1. Этот уровень открывает транзистор VT2, а вслед за ним — и VT3. Уровень лог.0 с выхода элемента DD1.6 закрывает транзистор VT1 и яркость лампы теперь определяется введённым сопротивлением резистора R28 и может быть выбрана в диапазоне 10…80 %.

При достижении счётчиком DD3 своего 2048 состояния, уровень лог.1 на выходе его разряда «Q11» (вывод 15) сменяется уровнем лог.0, а на выходе старшего разряда «Q12» (вывод 1) счётчика появляется уровень лог.1, который инвертируясь элементом DD1.5, приводит к остановке генератора. Этот же уровень лог.0 шунтирует правый по схеме вывод резистора R14 на «землю» и закрывает транзистор VT1. Одновременно уровнем лог.0 с выхода «Q11» счётчика DD3 закрываются транзисторы VT2 и VT3, и автомат переходит в режим ожидания с минимальной яркостью (устанавливается резистором R30), что необходимо для обеспечения минимального энергопотребления.

Визуальную оценку прошедшего времени выдержки (при настройке таймера) производят по линейкам светодиодов HL1…HL4 и HL5…HL8 (для удобства HL1, HL2, HL5, HL6 выбраны зеленые, HL3, HL7 — желтые и HL4, HL8 — красные).

Конструкция и детали. Данный автомат собран на печатной плате (рис. 4) из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм из квадратной заготовки размерами 78x78 мм.

Для установки в стандартную сетевую разветвительную коробку типа КЭМ5-10-7 в квадратной заготовке вырезаются уголки размерами 13x13 мм. В автомате применены постоянные резисторы МЛТ-0,125, МЛТ-2 (R33), подстроечные СП3-38б в горизонтальном исполнении, балластные конденсаторы С5, С6 типа К73-17 с номинальным напряжением 400В, остальные неполярные — К10-17, электролитические — К50-35. На месте стабилитронов VD2, VD7 могут работать Д814В (Г, Д), КС510, КС512, КС515 или аналогичные маломощные с напряжением стабилизации 10…15В. Транзисторы VT1, VT2, VT6 могут быть из серии КТ3102 с любыми индексами или импортные BC547; VT4…VT6 — КТ3107 или импортные BC557. ИМС DD1 КР1564ТЛ2 (74HC14N), содержащая шесть триггеров Шмитта, заменима CD40106, счетчик КР1561ИЕ20 (CD4040BN) заменим КР1564ИЕ20 (74HC4040N). Все светодиоды использованы сверхъяркие, диаметром 5 мм.

Настройка второго варианта устройства заключается в установке минимальной яркости в режиме ожидания с помощью резистора R30, яркости в режиме пониженного энергопотребления — резистором R28 и времени выдержки — резистором R3. При мощности лампы накаливания более 75 Вт тиристор необходимо установить на теплоотвод.

Внимание! Элементы устройств имеют непосредственный гальванический контакт с сетью 220 В/50 Гц, поэтому при работе с ними следует соблюдать требования техники безопасности! При настройке следует использовать отвертку с ручкой из изоляционного материала, а также избегать прикосновения к элементам, находящимся под напряжением сети!

Литература
1. «Автомат управляет освещением». И. Нечаев — «Радио», 1996г, №5, с.46-47.
2. «Регулируем яркость светильника». — «Радио», 1992г, №1, с.22.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Освещение