Сенсорное устройство с узлом «щадящего» управления нагрузкой

 Среди многочисленных описаний сенсоров и триггеров в современной техни­ческой литературе для радиолюбителей, можно встретить схему устройства на лю­бой вкус — настолько разработана радиолюбителями эта тема. После того, как логические микросхемы технологии КМОП (с полевыми транзисторами) стали ши­роко доступны, создать сенсорное устройство не представляет большого труда. Тем не менее, среди множества описаний схем каждая имеет свои преимущества и недостатки, что предполагает наличие конструкторской ниши для новаторских решений и усовершенствований в этой области. Решив сказать свое слово по дан­ной теме, предлагаю читателям описание несложного электронного устройства, сочетающего в себе триггер (узел с двумя устойчивыми состояниями) и сенсорный узел, благодаря которому триггер управляется прикосновением к сенсорному кон­такту. Два устойчивых состояния триггера совместно с сенсорным узлом подразу­мевают такое функционирование: один раз коснулся сенсора — свет включился, второй раз коснулся — выключился.

Практическое применение рекомендуемого устройства можно рассматривать в широких пределах: от включателя ночника (бра) и (или) узла управления вентиля­тором до игрушек различного назначения. Практическое использование касается не только области применения устройства, но и конструктивных особенностей. Так например, сенсором может быть любой проводящий ток предмет (как малого со­противления — единицы Ом, так и большого — десятки МОм), в частности декора­тивный цветок в горшке — его ствол, листья, земля и корпус цветочного горшка являются сенсорами. Это справедливо, если в качестве сенсора использовать ме­таллический штырь, воткнутый в землю цветочного горшка на 2.10 см и электри­чески соединенный с микросхемой DD1.

Преимущество разработки перед уже известными схемами, на мой взгляд, в том, что совмещенное устройство реализовано всего на одной микросхеме К561ТЛ1 (это говорит о простоте конструкции), а также — в особенности управле­ния лампой накаливания. Этот узел не совсем обычен благодаря особенному уп­равлению тиристором, подача синусоидального напряжения осветительной сети на лампу накаливания происходит на начальном участке (синусоиды), когда вели­чина напряжения незначительна. Поэтому лампа накаливания не будет подвергать­ся перегрузкам в момент включения (самый опасный момент в жизни электро­ламп). Такое решение позволяет обеспечить надежность работы лампы и ее ре­сурс относительно других альтернативных схем управления в сети 220 В. Электри­ческая схема устройства представлена на рисунке.

Применение тиристорного узла позволяет осуществить управление нагрузкой мягко и практически бесшумно.

На элементах микросхемы DD1.1-DD1.4 собрана двухкаскадная схема триггера с чувствительным входом. Датчиком служит сенсорный контакт Е1. Наведенное в теле человека переменное напряжение, контактируя с сенсором Е1, влияет на эле­менты микросхемы DD1.1 и DD1.2 и способствует переключению бистабильной ячейки RS триггера (образованной элементами DD1.3, DD1.4) в другое устойчивое состояние. К выходу элемента DD1.3 через ограничительный резистор R2 подклю­чен усилитель тока на транзисторе VT1, управляющий тиристором VS1 в зависимо­сти от логического состояния триггера. В состоянии высокого логического уровня на выводе 10 микросхемы DD1.3 транзистор VT1 и тиристор VS1 будут заперты, а в состоянии низкого уровня — открыты. Нагрузкой для тиристора VS1 является лампа накаливания EL1, вместо нее можно применить любую подходящую актив­ную нагрузку с мощностью потребления до 60 Вт (при более мощной нагрузке тиристор устанавливают на теплоотвод и заменяют более мощным).

Ячейка RS триггера переключается потенциалами низкого уровня по входам (выводам) 8 и 13 соответственно элементов DD1.3 и DD1.4. Эти входы имеют со­ответственно значение S (Set = вход установки «1») и R (Reset = вход установки «0») схемы триггера. На входы RS триггера подаются переключающие сигналы с отрицательным потенциалом. Удерживающий R-вход (вывод 13 DD1.4) соединен с выходом микросхемы DD1.3, и удерживающий S-вход (вывод 8 DD1.3) соединен с выходом микросхемы DD1.4. Так образована замкнутая петля обратной связи для цифровых сигналов. Благодаря такому решению, при каждом новом касании сенсо­ра Е1 управляющий триггером низкий уровень будет поочередно присутствовать то на выводе 8 DD1.3, то на выводе 13 DD1.4. Соответственно цифровой сигнал будет меняться на выходах RS триггера с каждым новым касанием. Устойчивое состояние триггер соблюдает сколь угодно долго, пока на устройство подано питание. В на­чальный момент времени при подаче питания триггер устанавливается так, что на выводе 10 микросхемы DD1.3 присутствует высокий уровень напряжения, транзис­тор VT1 и тиристор VS1 заперты, лампа накаливания EL1 погашена. Такой началь­ной установке способствует конденсатор С1.

В тот момент, когда на выводе 10 микросхемы DD1.3 присутствует низкий уровень напряжения, транзистор VT1 открыт только в период времени, когда на диоде VD2 падение напряжения меньше, чем на стабилитроне VD1. В остальное время транзис­тор VT1 оказывается заперт. Процесс открывания транзистора происходит сообразно синусоидальному характеру изменения переменного напряжения осветительной сети 220 В с частотой 50 Гц, поэтому открывающие транзистор и соответственно тиристор импульсы поступают на лампу накаливания с этой же частотой, и формирование этих импульсов происходит в начале каждого периода синусоиды. Основным элементом, обеспечивающим такой характер работы узла, является диод VD2.

Бестрансформаторный источник питания состоит из элементов VD3, R4, C2 и стабилитрона VD1, образующих однополупериодный выпрямитель. Оксидный кон­денсатор С2 сглаживает пульсации напряжения. Стабилитрон VD1 и ограничитель­ный резистор R4 защищают устройство от перенапряжения, что актуально в осве­тительной сети 220 В в ночное время и в сельских условиях.

Ток потребления устройства (без учета тока потребления лампы накаливания) не превышает 12 мА.

Микросхему К561ТЛ1 при необходимости заменяют на зарубежный аналог CD4093A-CD4093B.

Почему именно К561ТЛ1? Микросхема спроектирована как четверка независи­мых логических элементов 2И-НЕ гистерезисом; обладает высокой чувствительно­стью по входу, имеет высокую помехозащищенность (до 45% от U_ПИТ), ультрама­лый рабочий ток потребления, работает в широком диапазоне питающих напряже­ний (3.15 В). Высокая помехозащищенность входов микросхемы от статического электричества и превышения напряжения входных уровней позволяет практически использовать К561ТЛ1 в данной конструкции с участием сенсора.

Вместо транзистора VT1 можно применить КТ3107 с индексами Б, Г, Д, Ж, И, Л, КТ361Г-КТ361Д, КТ814Б-КТ814Г. Стабилитрон VD1 любой, рассчитанный на на­пряжение стабилизации 12.15 В, например Д814Д. Оксидный конденсатор С2 типа К50-24, К50-35 на рабочее напряжение не ниже 25 В; его тип не принципиа­лен. Неполярный конденсатор С1 типа КМ6 или аналогичный. Тиристор VS1 типа КУ201К-КУ201М, КУ202К-КУ202М, Т112-10 или аналогичный. Выпрямительный мост, состоящий из диодов VD4-VD7 типа КЦ402А, КЦ405А, КЦ407А или из диск­ретных диодов типа КД105Б-КД105В, КД243Г, 1 N4004-1 N4007. Эти же рекомен­дации касаются возможной замены диодов VD2 и VD3. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25, С2-33. Светодиод типа АЛ307БМ или аналогичный.

Устройство собирают на монтажной плате и закрепляют в корпусе из диэлект­рического материала. При монтаже элементов стремятся к тому, чтобы их выводы имели минимальную длину (для уменьшения влияния помех). Силовую часть мон­тируют так, чтобы корпуса тиристора и выпрямительных диодов (в случае приме­нения дискретных диодов) не имели контакта с другими элементами (не санкцио­нированного по электрической схеме).

Фазировка подключения устройства к осветительной сети не принципиальна. Чувствительность узла, реагирующего на сенсор Е1 корректируется резистором R7 (показан на схеме пунктиром). Обычная (в авторском варианте) длина неэкраниро- ванного провода непосредственно от выводов 2 и 5 микросхемы DD1 к сенсорной пластине Е1 составляет 25 см. Сенсор Е1 представляет собой металлическую пла­стину от жестяной декоративной решетки акустических систем любой марки, обре­занной под нужную фигуру (круг, квадрат) с площадью поверхности 25.30 см². Неэкранированный соединительный провод типа МГТФ с сечением 0,8.1 мм². В таком положении резистор R7 не нужен, так как узел работает без сбоев и ложных срабатываний. Если длину провода увеличить свыше 30 см (что может быть необ­ходимо при особых конструктивных условиях монтажа устройства), возможны лож­ные срабатывания, происходящие от помех по сети 220 В, например, при подклю­чении утюга и электрочайника. В этом случае включением резистора R7 удается полностью купировать ложные срабатывания* (см. сноску). Корректировкой сопро­тивления данного резистора также удается регулировать чувствительность устрой­ства. При увеличении сопротивления R7 чувствительность сенсора повышается, при уменьшении — уменьшается. Порог чувствительности можно задать достаточ­ным для срабатывания от прикосновения домашнего животного или только от про­водящей части тела человека.

Дополнительное удобство устройству придает узел индикации состояния триг­гера на светодиоде HL1. При открытых транзисторе VT1, тиристоре VS1 и соответ­ственно включенной лампе EL1, светодиод HL1 будет светиться. Яркость свечения зависит от сопротивления ограничительного резистора R5 в цепи коллектора VT1. При ином состоянии триггера светодиод будет погашен. Этот узел индикации удо­бен при контроле работоспособности устройства, если, например, лампа накали­вания или элементы управления неисправны.

При испытаниях устройства автор применял (кроме описанного провода МГТФ) также экранированный соединительный провод от выводов 2 и 5 микросхемы DD1 к сенсору Е1, соединив экран с отрицательным полюсом источника питания; ре­зультат удовлетворителен — влияние помех удалось избежать при длине провода 1 м. Однако применять экранированный провод в данном случае можно только при питании от источника с гальванической развязкой сетевого напряжения.

Внимание! Устройство питается непосредственно от осветительной сети пере­менного тока 220 В и не имеет гальванической развязки. Поэтому при работе с ним требуется соблюдать осторожность. Монтаж элементов следует производить при полностью отсоединенном от сети устройстве. После сборки первое включе­ние производят от стабилизированного источника тока с понижающим трансфор­матором с выходным напряжением 9.15 В (предварительно отсоединив узел уп­равления нагрузкой и элементы бестрансформаторного источника питания). Отри­цательный полюс источника питания (общий провод) заземлять не надо.

В налаживании устройство не нуждается. Чувствительность сенсора регулируют сопротивлением постоянного резистора R1.

Как известно, принцип действия сенсора состоит в реакции на наведенное в теле человека (другом проводящем предмете) переменное напряжение. Поэтому в местах, где таких наводок быть не может — в поле, а также там, где нет вблизи энергетических коммуникаций — сенсор практически бесполезен.

Для этой записи еще нет комментариев.

Станьте первым, кто оставит комментарий к этой записи!

Для добавления комментариев зарегистрируйтесь или авторизируйтесь.