Электрик - электричество и энергетика

Эта статья опубликована на сайте Электрик - электричество и энергетика
  http://electrik.org/

URL этой статьи:
  http://electrik.org/news/article112.php

СЕНСОРНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Статьи / Самодельные устройства для освещения
Послано electrik 14 Мар, 2004 г. - 22:34

ЮрийТитаренко, Чернигов
Предлагаемая вниманию читателей конструкция сенсорного выключателя может быть использована для включения освещения в квартирах, а также для коммутации любой другой подходящей нагрузки.


Идея создания устройств подобного рода не нова. Но познакомившись с некоторыми из них и проверив на практике работу сенсорного выключателя, опубликованного в [1] и [2] (схемы практически идентичны), автор был очень разочарован, особенно после того, когда совершенно не удалось устранить главные недостатки, и тем самым улучшить работу схемы. Во-первых, оказалось весьма трудно найти тринистор из 202-й серии, который бы надёжно отпирался при токе управляющего электрода менее девяти миллиампер, а больше "вытянуть" из этой конструкции никак невозможно, так как она построена на тиратронах МТХ-90, ну а во-вторых выключатель оказался очень чувствительным (в особенности цепь сетки тиратрона) к различным импульсным помехам - включился холодильник, и выключился свет, включили соседи пылесос... и вот опять светло. Поэтому было решено создать новое устройство, на другой элементной базе, лишенное перечисленных выше недостатков и выгодно отличающееся от подобных устройств наличием ряда определённых преимуществ: небольшие габариты, и как следствие возможность свободной установки вместо штатного выключателя освещения в квартире и т. д.; отсутствие гасящего резистора в цепи питания, на котором обычно выделяется значительная мощность, поэтому нагрева практически нет, что очень важно когда нет вентиляции; небольшая потребляемая мощность, что тоже важно, так как устройство может быть постоянно подключено к сети переменного тока; хорошая помехоустойчивость; сравнительно небольшое количество элементов; устройство построено на широко доступных элементах; реализована подсветка сенсора; индикация исправности лампы накаливания (на приведённой схеме рис.1 именно она является нагрузкой), а также соединительных проводов (электропроводки). Коммутирует нагрузку симистор, что позволяет обойтись без мощного диодного моста и подключать нагрузку, которой необходим переменный ток, а не положительные импульсы частотой 100 Гц. При определённом номинале конденсатора С5 значительно снижается бросок тока через холодную нить лампы накаливания, а значит продлевается срок службы лампы. Выключатель позволяет коммутировать нагрузку до 800 Вт, но при мощности более 300 Вт симистор необходимо установить на теплоот-вод. Если надо коммутировать большую мощность, можно применить симистор другой серии типа "ТС". Благодаря применению оптронов удалось снизить до минимума ток управляющего электрода симистора и уровень помех, создаваемых выключателем. Предлагаемое устройство уступает по току потребления в ждущем режиме устройству, опубликованному в [3], конечно, смотря какой режим считать ждущим или при включенной нагрузке или при выключенной, ведь в некоторых случаях нагрузка бывает включена дольше чем выключена.



Итак, в результате определённых поисков получился сенсорный выключатель, электрическая схема которого приведена на рис.1. Он выполнен на микросхеме К555ТМ2, которая включает в себя два D-триггера, первый из которых DD 1.1 работает в асинхронном режиме, а второй DD1.2 используется как счётный триггер. Питается устройство от сети переменного тока 220 В 50 Гц. Ну а теперь немного подробнее о работе этого устройства. Цепь питания выполнена по бестрансформаторной схеме с гасящим конденсатором С7, который должен быть рассчитан на напряжение не менее 400 В. Затем следует диодный мост на диодах VD4-VD7. Конденсатор С6 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, которое затем подаётся на вход стабилизатора DA1 (выв.17). Стабилитрон VD3 служит для ограничения максимального напряжения на входе стабилизатора, которое не должно превышать 15 вольт, что следует из [4]. В нормальном режиме работы ток через стабилитрон не течёт, так как напряжение на нём ниже напряжения стабилизации, но при различных скачках напряжения в питающей сети он защищает стабилизатор от превышения входного напряжения. Схема устройства, а точнее микросхема DD1 и транзисторный ключ на VT1, питаются стабилизированным напряжением 5 вольт, которое снимается с выхода стабилизатора (выв.2) и фильтруется конденсатором СЗ. Конденсатор С4 является дополнительной защитой от помех и монтируется в непосредственной близости от выводов питания микросхемы DD1. Следует отметить, что на первый взгляд может показаться необоснованным применение в качестве стабилизатора сравнительно дорогостоящей микросхемы DA1, а не обыкновенного параметрического стабилизатора, построенного на стабилитроне с балластным резистором, но по мнению автора это далеко не так. Дело в том, что применение микросхемы КР142ЕН5А -DA1, а не параметрического стабилизатора, позволяет уменьшить мощность, потребляемую устройством. Ток холостого хода DA1 (без нагрузки) составляет не более 10 мА [4]. Поскольку с подключеной нагрузкой (DD1 и открытым транзисторным ключом VT1) ток, потребляемый собственно микросхемой DA1, на практике составляет меньше 10 мА, часто даже в 1,5-2 раза. Вполне очевидно, что если применить стабилитрон, ток стабилизации, протекающий через него, будет в несколько раз больше потребляемого микросхемой DA1. Здесь необходимо подчеркнуть, что речь идёт действительно о стабилизации напряжения, а не об ограничении, как например сделано в схеме сенсорного выключателя, опубликованного в [3], хотя автор той публикации утверждает, что "низковольтная часть схемы питается от параметрического стабилизатора...". Однако не понятно, как можно говорить о какой-нибудь стабилизации, если всё устройство, по утверждению автора, потребляет не более 2мА. Откуда же взять необходимый ток стабилизации, протекающий через стабилитрон, который должен составлять минимум 3 мА.



При включении устройства в сеть на выходе триггера DD1.1 выв.5, устанавливается напряжение низкого уровня. Далее, если коснуться сенсора Е1, то на вход S через резистор R1 поступает фон переменного тока, наведённый на тело человека от фазного провода электрической сети. С выхода DD1.1 выв.5 в это время снимается усиленное триггером напряжение, по форме похожее на синусоиду. Нужно сказать, что во время касания сенсора, через тело человека протекает незначительный ток, совершенно безвредный для человека, даже если тот будет надёжно заземлён. В связи с этим следует отметить, что ток, ограничиваемый резистором R1, может достигнуть максимум 73 - 76 мкА, да и то только в том случае, если сенсор Е1 заземлить. Этот ток совершенно безвреден. На самом же деле ток, протекающий через тело человека, составляет единицы микроампер, что тем более абсолютно безвредно и неощутимо для человека. Конденсатор С1 ограничивает чувствительность устройства и защищает от помех, а значит и от ложных срабатываний. Переменное напряжение, снятое с выхода триггера DD1.1, детектируется простейшим детектором собранным на VD1.VD2 и С2. Затем, уже выпрямленное напряжение подаётся на тактовый вход С (выв.11) счётного триггера DD1.2, переключение которого происходит по фронту положительного импульса. Конденсатор С2 быстро заряжается до напряжения, достаточного для переключения триггера. Если на входе С выв.11 появится напряжение от какой-либо помехи, допустим импульсной, то триггер DD1.2 не переключится, пока напряжение на конденсаторе С2 не достигнет порогового уровня. Таким образом, конденсатор С2 повышает помехоустойчивость устройства, защищая триггер DD1.2 от ложных срабатываний. После касания сенсора Е1 и переключения триггера DD1.2 на его выходе (выв.9) появляется напряжение высокого уровня, которое через интегрирующую цепь R2C5 подаётся на базу транзистора VT1. Транзистор отпирается, и служащие его нагрузкой светодиоды оптронов U1,U2, загораются. Следовательно отпираются фототиристоры оптронов, через которые протекает ток управляющего электрода симистора, ограничиваемый резистором R4. Резистор R3 ограничивает ток через светодиоды оптронов. Ток управляющего электрода симистора VS1 протекает поочерёдно через тиристоры оптронов U1,U2. Так, во время положительного полупериода питающей сети ток течёт через тиристор оптрона U1, а во время отрицательного - через тиристор оптрона U2. Симистор VS1, отпираясь, подключает нагрузку - лампу накаливания. При повторном касании сенсора Е1, на тактовый вход триггера DD1.2 снова поступает напряжение высокого уровня (смотри выше), триггер переключается и на его выходе выв.9 устанавливается логический 0, транзистор VT1 закрывается, запирается симистор VS1 - лампа гаснет. Интегрирующая цепь R2C5 способствует "мягкому" включению и выключению нагрузки, это проявляется постепенным (1-2 сек.) нарастанием или убыванием силы света соответственно, что по мнению автора гораздо приятнее для глаз чем резкое включение освещения. Благодаря цепи R2C5 значительно снижается сильный импульс тока через холодную нить накала лампы, а значит продлевается срок службы лампы. Если по каким-либо причинам задержка при включении нагрузки неприемлема, то следует уменьшить ёмкость конденсатора С5 до 0,1-1,0 мкФ. При выключенной лампе HL1 всё переменное напряжение питающей сети присутствует на симисторе VS1. Оно, как видно из схемы рис.1, снимается с катода VS1, выпрямляется диодом VD8, и через резистор R5 заряжает конденсатор С8. Неоновая лампа HL2 и резистор R6 образуют цепь разрядки конденсатора С8. Когда напряжение на нём достигает напряжения зажигания неоновой лампы - лампа вспыхивает, а конденсатор С8 разряжается. Затем вновь происходит его зарядка и т.д. Таким образом лампа HL2 периодически вспыхивает и освещает сенсор Е1, поэтому его легко найти в темноте (о сенсоре смотри ниже). Частота вспышек неоновой лампы зависит от постоянной времени R5C8 и от напряжения зажигания лампы, а длительность и сила вспышки от номинала резистора R6 и ёмкости С8. Поскольку конденсатор С8 заряжается через лампу HL1 и провода, соединяющие её с устройством (электропроводку), то мигание лампы HL2 говорит об их исправности (отсутствии обрывов), а при наличии обрыва в выше указанных местах зарядка конденсатора С8 прекращается и, естественно, прекращаются вспышки лампы HL2.



Устройство, собранное из исправных деталей, начинает работать сразу и не нуждается в особой настройке, однако для обеспечения надёжной и безопасной работы выключателя следует учесть некоторые рекомендации. Так, для обеспечения безопасности при эксплуатации сенсорного выключателя, мощность резистора R1 должна быть не менее 0,5 ватт. Обязательно надо исключить возможность соприкосновения резистора R1 и его вывода, соединяющегося с сенсором Е1, с другими элементами схемы, с дорожками печатной платы (кроме соединений, предусмотренных в схеме устройства рис.1). Соединить R1 и Е1 необходимо многожильным проводом в хорошей изоляции. Как следует из выше сказанного R1 и С1 ограничивают чувствительность как к помехам, так и к полезному сигналу, возникающему при касании сенсора Е1. При необходимости их номиналы можно немного изменить, не забывая, что R1 должен быть не менее 1 мегао-ма. Чем больше ёмкость С2, тем надёжнее защита тактового входа DD1.2 от импульсных помех, но и больше время, в течение которого выключатель "не реагирует" на прикосновения к Е1, при указанном в схеме номинале С2 это время будет около 1 сек., что по мнению автора вполне приемлемо. Ток, потребляемый устройством, составляет менее 21 мА, значит потребляемая мощность от сети переменного тока 220 В, будет в пределах 4,6 - 5,0 Вт. Для минимизации потребляемого тока необходимо резистором R3 установить наименее возможный ток через светодиоды оптронов U1,U2 при обеспечении надёжного отпирания тиристоров оптронов и симистора VS1. Справедливости ради надо сказать, что описанные в тексте, а также обозначенные на схеме рис.1 выводы симистора "катод" и "анод" названы не совсем правильно, просто так привычнее (по аналогии с тринистором), а правильно будет "анод!" и "анод2" соответственно. При подключении устройства к сети переменного тока обязательно надо соблюдать фазировку, как показано на схеме рис.1, иначе выключатель может работать нечётко или не работать вообще.



Устройство выполнено на круглой печатной плате диаметром 60 мм из двустороннего фольгированного стеклотекстолита рис.2. Диаметр платы позволяет устанавливать её на место обычного выключателя освещения для скрытой проводки. После установки платы круглое отверстие в стене закрывается сенсором Е1, подходящего диаметра. Сенсор изготовлен из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2-3 мм. На фольгированной (наружной) стороне нужно вытравить небольшие участки фольги, не соприкасающиеся друг с другом диаметром до 2 мм, они могут образовывать какой-нибудь рисунок. Тогда вспышки лампы HL2 будут видны через стеклотекстолит в протравленных местах. Таким образом Ваш сенсор будет Вам подмигивать. При изготовлении сенсора (вытравливание небольших участков фольги) автор использовал способ, описанный в [5]. Для крепления сенсора можно сделать небольшие углубления в стене (достаточно двух) по краям отверстия, где находится плата выключателя. В эти углубления вставляются небольшие, но достаточно сильные для надёжного удержания сенсора постоянные магниты и замазываются алебастром. На внутренней стороне сенсора (которая без фольги), напротив магнитов надо приклеить небольшие металлические шайбы. Сенсор будет надёжно закреплён. Работу по установке магнитов и шайб надо сделать очень аккуратно, чтобы не было щелей между стеной и сенсором, а неровности стены вокруг отверстия при необходимости можно загладить алебастром. Изготовленный сенсор очень даже желательно поникелировать и хорошо отполировать, предварительно просверлив отверстие диаметром 1-1,5 мм., поближе к краю, и припаяв в него многожильный провод, достаточной длины, в надежной изоляции. Затем этот провод припаивается к плате устройства. Следует обязательно сказать, что при установке устройства на место обычного выключателя освещения Вам понадобится ещё один (третий) провод, т.к. для обычного односекционного выключателя достаточно двух проводов. Может быть, на месте установки выключателя уже есть третий провод, и Вам останется только подсоединить его в соответствии со схемой устройства и рис.3; возможно придётся проводить его каким-либо образом самому в соответствии с рис.3 и т.д. Самое главное быть уверенным в своих действиях, ведь речь идёт об электропроводке, её безопасности и надёжности, короче говоря "не уверен - не обгоняй". При настройке и подключении выключателя необходимо соблюдать меры предосторожности: все работы выполнять при отключенном электропитании, установку производить при "вывернутых пробках", а также не забывать, что устройство имеет бестрансформаторное питание.
Сенсорный выключатель можно расположить и в отдельном корпусе из изоляционного материала, для коммутации какой-нибудь другой нагрузки. В этом случае плату лучше сделать квадратной, со стороной 60 мм, как показано на рис.4. При этом расположение печатных проводников и деталей можно не менять, а в получившихся таким образом свободных углах надо сделать отверстия для крепления платы. Лампа HL2 может располагаться за сенсором или, допустим, на передней панели устройства. Сенсор может быть произвольных размеров и формы и изготовлен как написано выше, или, например, просто из какого-нибудь металла.
В устройстве применены резисторы типа МЛТ, конденсаторы С1,С4 типа КМ или другие малогабаритные, С7.С8 - К73-17 или аналогичные, конденсатор С8 - на напряжение не менее 250 вольт. Электролитические конденсаторы типа К50-35. Конденсатор С2 должен иметь минимальный ток утечки. Транзистор VT1 может быть любой кремниевый маломощный с соответствующей структурой. Диоды VD1.VD2 можно заменить на другие импульсные с минимальным прямым напряжением. Оптроны лучше применить ЗОУ103Г, потому что только они допускают напряжение на тиристорах в закрытом состоянии до 400 В, а другие, указанные на схеме рис.1 в скобках, -только до 200 В. Поэтому надо учесть, что применение оптронов, указанных в скобках, приведёт к снижению надёжности устройства. Неоновая лампа HL2 может быть любого типа с гибкими выводами. При монтаже её необходимо приподнять над платой на определённую высоту, на оголённые выводы надеть изоляционные трубки и расположить таким образом, чтобы максимальное количество света при вспышках лампы было направлено в сторону сенсора, закрывающего отверстие, где находится устройство. Из-за ограниченых размеров печатной платы(рис.2) элементы на ней расположены довольно плотно, резисторы R1 и R4 установлены вертикально. На элементы в металлических корпусах, которые могут соприкасаться друг с другом, следует надеть изоляционные трубки. В заключение хочу сказать, что описанный выше сенсорный выключатель проработал у автора в качестве выключателя освещения уже более двух лет без каких-либо сбоев.
Литература
1. Сергеев Б. Сенсорные выключатели. - Приложение к журналу "Юный техник" Для умелых рук 1985 N6. стр.10-11.
2. Боровский В.П.. Костенко В.И.. Михайленко В.М.. ПарталаО.Н. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя. Киев "Тэхника* 1989, стр.87.
З.Ловчук В.Б. Сенсорный выключатель - РадюАматор 1996. N8, стр.2. 4.Щербина А. Благий С. Микросхемные стабилизаторы серий 142, К142, KP142.-Paдиo,1990,N8,crp.89-90.
5.ЩепиловА. Способ изготовления печатных плат. -Радио, 1987, N10, стр.46.

С вопросами можете обращаться по почте info@electrik.org [1] или посетив мой сайт: electrik.org [2].
Всего хорошего.

2004 г. Кузнецов Олег



Ссылки в этой статье
  [1] info@electrik.org
  [2] http://electrik.org

   Rambler's Top100      
Электрик © 2002-2008 Oleg Kuznetsov