Сенсорное устройство с узлом «щадящего» управления нагрузкой |
Голосов (0) | Комментариев (0) | Избранное (0) |
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 UПИТ), 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.
Теги: |
Для этой записи еще нет комментариев.
Станьте первым, кто оставит комментарий к этой записи!
Для добавления комментариев зарегистрируйтесь или авторизируйтесь.