Цифровой автомат плавного включения лампы накаливания

В статье рассматривается автомат, обеспечивающий плавное нарастание яркости лампы накаливания в течение нескольких секунд. В отличие от других подобных конструкций, данный автомат производит идеально плавное линейное нарастание среднего тока в нагрузке.

Общие сведения

Как известно, срок службы лампы накаливания во многом зависит от режима её работы. Нить лампы накаливания наиболее подвержена разрушению именно в момент включения, когда её сопротивление в холодном состоянии в несколько раз меньше, чем в нагретом. Плавное увеличение тока в момент включения позволяет избежать разрушения нити и значительно продлить срок службы лампы накаливания. Известные автору аналоговые конструкции автоматов защиты ламп накаливания на самом деле обеспечивают лавинообразное нарастание тока в момент включения. Дело в том, что вольтамперная характеристика коммутирующего биполярного или полевого транзистора имеет нелинейный вид. Фактически в начальный момент времени, при включении в сеть, ток через лампу накаливания имеет очень малое значение. Далее ток возрастает нелинейно и лавинообразно, пока коммутирующий транзистор не войдет в режим насыщения, соответствующий максимальной яркости лампы накаливания. Таким образом, не удаётся полностью избежать броска тока в момент включения даже при относительно большом значении времени задержки включения. В результате, лампа долго не загорается, а затем, выходит на максимальный уровень яркости очень быстро, за доли секунды. Кроме того, такой режим неблагоприятно сказывается и на работе самих коммутирующих элементов.

Применение цифрового метода управления коммутирующим MOSFET-транзистором с использованием ШИМ-модуляции позволяет добиться действительно линейного нарастания среднего тока через лампу накаливания в момент включения и, тем самым, обеспечить наиболее благоприятный режим её работы. Кроме того, благодаря функции регулятора мощности, ограничивается максимальная мощность лампы накаливания, которая обычно возрастает в вечерние часы, когда число потребителей уменьшается, и напряжение в сети возрастает.

Схема электрическая принципиальная

Схема автомата приведена на рис.1. В предлагаемом автомате реализовано управление мощностью путём изменения скважности импульсов ШИМ-сигнала. Частота ШИМ-импульсов составляет 1 кГц при частоте задающего генератора 256 кГц. При этом время нарастания яркости от нуля до 94% от максимального значения может выбираться в пределах 1…10 секунд.

Работает автомат следующим образом. При подаче питающего напряжения интегрирующая цепочка C8-R5 формирует короткий положительный импульс, сбрасывающий счётчики DD6.1 и DD6.2 в исходное нулевое состояние. При этом на входы предустановки счётчиков DD4 и DD5 поступают уровни лог.0 с выходов счётчиков DD6.1 и DD6.2. Импульсы задающего генератора DD1.1-DD1.2 делятся восьмиразрядным счётчиком (DD2.1, DD2.2) и подаются на вход одновибратора, собранного на элементах DD3.1-DD3.2. Одновибратор формирует короткие отрицательные импульсы по спадам импульсов на входе элемента DD3.1 (вывод 13), которые устанавливают RS-триггер DD3.3-DD3.4 в исходное единичное состояние и осуществляют предустановку счётчиков DD4 и DD5 по их входам асинхронной записи «С» (выводы 11).

В начальный момент времени счётчики DD6.1, DD6.2 находятся в нулевом состоянии, поэтому по входам предустановки D0…D3 счётчиков DD4 и DD5 загружается нулевая двоичная комбинация. Поскольку RS-триггер DD3.3-DD3.4 изначально находится в единичном состоянии, на выходе DD3.3 присутствует лог.1, а на выходе DD3.4 — лог.0. Ключевой транзистор закрыт, лампа обесточена. Счётные импульсы по входу суммирования счётчика DD4 (вывод 5) увеличивают его состояние, а вслед за ним и DD5, и, когда счётчик DD5 достигнет переполнения, на его выходе переноса «+CR» (вывод 12) сформируется короткий отрицательный импульс, перебрасывающий RS-триггер в противоположное нулевое состояние. На выходе DD4.3 появится лог.0, а на выходе DD4.4 — лог.1., открывающая транзисторы VT1, VT2, а также VT4. Лампа накаливания оказывается подключенной к сети. Описанный процесс повторяется с частотой 1 кГц и обеспечивает свечение лампы накаливания с минимальной яркостью.

Очередной счётный импульс с выхода генератора DD1.3, DD1.4 увеличивает состояние счётчика DD6.1 на единицу, что приводит к увеличению яркости лампы накаливания на 0,4%. Теперь в собственные двоичные разряды счётчиков DD4 и DD5 загружается двоичный код «00000001» и так далее по возрастанию, что приводит к увеличению яркости лампы накаливания с шагом 0,4%. При достижении счётчиком DD6.2 шестнадцатого состояния, на объединённых анодах диодной линейки VD5…VD8 сформируется уровень лог.1, который через прямосмещённый диод VD4 заблокирует работу генератора DD1.3, DD1.4. Счётчик DD6.2 останется в шестнадцатом, а DD6.1 — в нулевом состоянии. Теперь яркость лампы накаливания будет соответствовать максимальному значению 94%.

Кроме основной функции, автомат легко приспособить для использования в качестве цифрового регулятора мощности, если исключить счётчики DD6.1 и DD6.2 и дополнить его формирователем управляющего кода предустановки по входам счётчиков DD4, DD5. Этот двоичный код можно сформировать, к примеру, с помощью счётверённой группы микропереключателей или реверсивного счётчика, если дополнить его кнопочным управлением. Также устройство можно дополнить ИМС памяти типа ЭСППЗУ для сохранения установок значения мощности.

Конструкция и детали

Автомат собран на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита (рис.2) толщиной 1,5 мм размерами 78x78 мм, от которой впоследствии отрезаются уголки размером 13x13 мм, для установки в стандартную пластмассовую сетевую разветвительную коробку типа КЭМ5-10-7.

В устройстве применены постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-2 (R14, R15), подстроечный СП3-38б в горизонтальном исполнении, конденсаторы неполярные — типа К10-17, оксидные — К50-35 или импортные, светодиод сверхъяркий красный диаметром 5 мм. Стабилитрон VD1 на напряжение стабилизации 12 В может быть типа BZX85C12, КС512А, Д814Г или аналогичный, диод VD2 — кремниевый средней мощности с минимально допустимым обратным напряжением не менее 400 В. Транзистор MOSFET типа IRF840 заменим на IRF740 и другие с минимально допустимым рабочим напряжением сток-исток не менее 400 В и минимально возможным сопротивлением канала в открытом состоянии. Максимальная мощность лампы накаливания при эксплуатации без радиатора не должна превышать 100 Вт. Автором проверены также транзисторы КП7173А отечественного производства. Их параметры: максимальный ток стока Ic=4А, максимально допустимое напряжение сток-исток Uс-и=600В. Сопротивление канала в открытом состоянии не более R<2Ома. Максимальная мощность лампы накаливания в случае применения транзистора типа КП7173А без радиатора не должна превышать 60 Вт. Все ИМС серии КР1564 (74HCxx) заменимы на соответствующие аналоги серии КР1554 (74ACxx). Интегральный стабилизатор применён типа КР1181ЕН5А (78L05).

В налаживании автомат практически не нуждается, за исключением выбора желаемого времени нарастания яркости от нуля до максимума резистором R3. Контроль времени нарастания яркости производят по миганию светодиода HL1. При частоте вспышек светодиода 2 Гц, время нарастания от нуля до максимума составляет 8 секунд.

Отзывы и вопросы по усовершенствованию данного устройства читатели могут направлять в комментарии или через личные сообщения на сайте.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Освещение