Таймер КР1006ВИ1 в управлении освещением

Почти полувековое победоносное планетарное шествие интегрального таймера «555» (отечественный аналог КР1006ВИ1) подбадривает умы многих разработчиков электронных устройств. Эта небольшая микросхема, даже в «древнем» биполярном относительно низкочастотном варианте, не перестает удивлять своей универсальностью. Потомки таймера «555» - КМОП версии микросхемы (LMC555, 1CL7555 и другие) часто встречаются в современных устройствах промышленного изготовления - измерительных приборах, часах, мобильных радиостанциях и другой технике. Пока же, к сожалению, для большей части радиолюбителей, доступна только биполярная версия этого таймера. На такой микросхеме и предлагаются две конструкции для повторения, о которых пойдет речь ниже.

Наше зрение, позволяющее видеть окружающий мир в богатстве красок, линий и форм, эволюцией не приспособлено мгновенно перестраиваться под мгновенные изменения уровня освещенности -до изобретения электрического освещения в этом не было особой нужды. Поэтому резкое включение или выключение света, как минимум, вызывает чувство дискомфорта: либо ослепляет, либо погружает во тьму. Не стоит забывать и о высокой вероятности перегорания нити ламп накаливания при включении их на полную мощность без предварительного разогрева.

На рис. 1.35 представлена простая схема для плавного включения и выключения ламп накаливания, работающих в цепи постоянного тока напряжением 12 В. Основное назначение этого устройства - замедленное плавное выключение и включение освещения в салоне автомобиля. Оно может применяться и для управления мощными 12-вольтовыми галогенными лампами комнатных светильников, получающих питание от понижающего трансформатора с выпрямителем. При необходимости и желании, скорректировав параметры времязадающих цепей, это устройство можно использовать по своему усмотрению.

Рис. 1.35

При подаче напряжения питания 12...15 В и разомкнутой кнопке SA1 на выходе DA1 (выв. 3) устанавливается высокий уровень. Конденсатор СЗ разряжен через открытый коллекторный переход п-р-п транзистора микросхемы (выв. 7 - выход с открытым коллектором). Так как конденсатор С1 в этот момент разряжен, транзистор VT1 закрыт и зарядка конденсатора СЗ невозможна. В это время генерация DA1 отсутствует, мощный полевой транзистор VT2 постоянно открыт, лампа накаливания светит с максимальной яркостью.

После замыкания контактов SA1 конденсатор С1 начинает заряжаться по цепи R2, R3. Через несколько секунд, после того как напряжение на эмиттерном переходе VT1 достигнет напряжения около 0,45 В, этот транзистор начинает открываться. Когда ток в его цепи достигнет достаточного уровня, микросхема ОА1(выв. 3) начнет генерировать короткие импульсы отрицательной полярности. Первоначально, после появления генерации, скважность им

пульсов достигает нескольких тысяч, поэтому ни снижение яркости лампы, ни ее мерцание незаметны. По мере зарядки конденсатора С1 транзистор VT1 открывается сильнее. Время зарядки конденсатора СЗ до напряжения выше порогового напряжения переключения DA1 постепенно уменьшается. Время разрядки этого конденсатора не изменяется, так как номинал резистора R7 постоянен. Все это приводит к тому, что скважность импульсов на выв. 3 постепенно уменьшается, следовательно средняя мощность, подаваемая на лампу EL1, уменьшается и яркость ее свечения плавно снижается. Частота переключения максимальна при скважности близкой к 2 и составляет около 1300 Гц. На лампу в этот момент поступает примерно половина мощности.

Конденсатор С1 продолжает заряжаться, ток в коллекторной цепи VT1 растет. Скважность импульсов начинает увеличиваться. Но теперь транзистор VT2 большее время находится в закрытом состоянии, яркость свечения лампы продолжает уменьшаться. Примерно через 60...70 с после замыкания кнопки SA1 ток коллектора достигает значения, при котором СЗ уже не в состоянии разрядиться до напряжения ниже порогового через резистор R7 и транзистор микросхемы. Генерация срывается, на выв. 3 DA1 устанавливается низкий уровень, транзистор VT2 закрыт, лампа не светится.

При размыкании контактов SA1 процессы начинают протекать в обратном порядке. Так как обычно желательно получить более быстрое зажигание лампы на полную мощность, чем ее погасание, то разрядка конденсатора идет по цепи R3 VD1 R4 R1. Резистор R2 ограничивает напряжение, до которого будет заряжаться конденсатор С1, что позволяет зажечь лампу на минимальную мощность не позднее чем через 0,5 с после размыкания контактов SA1.

На двухцветном двукристальном светодиоде HL1 и элементах R11, R12, ѴТЗ, ѴТ4 выполнен узел индикации режима работы. При отключенном питании нагрузки светодиод светит зеленым цветом, при включенном - красным. При погасании лампы цвет свечения HL1 меняется в такой последовательности: красный, оранжевый, желтый, желто-зеленый, зеленый, при зажигании - в обратном порядке. Подачей логического нуля на ХР1 можно отключить светодиодную индикацию, например, когда питание на нагрузку не подается длительное время, что уменьшит потребляемый ток, когда устройство находится в дежурном режиме.

Так как напряжение в бортовой сети автомобиля может быть нестабильно, то для защиты микросхемы и полевого транзистора от повреждений при всплесках напряжения питания применен параметрический стабилизатор на элементах VT5, VD2, R12, Сб. Кроме того, этот узел представляет собой фильтр, снижающий уровень помех от системы зажигания, которые могут оказывать дестабилизирующее воздействие на нормальную работу микросхемы DA1.

Рис. 1.36

Не всегда есть возможность выполнить цепь подключения нагрузки так, как показано на рис. 1.35. Тогда конструкцию можно модифицировать согласно рис. 1.36. Здесь вместо n-канального применен р-канальный мощный полевой транзистор. Стабилитрон VD3 защищает затвор транзистора VT6 от пробоя при всплесках напряжения питания.

Конденсатор С2 (см. рис. 1.35) повышает устойчивость работы системы. Плавкий предохранитель FU1 предотвращает повреждение полевого транзистора при перегрузке. При отключенной нагрузке, устройство, собранное по схемам рис. 1.35 и 1.36 потребляет ток не более 13 мА при напряжении питания 12 В. Если отключить узел индикации на HL1, то ток потребления можно уменьшить. При питании этого устройства выпрямленным напряжением от понижающего трансформатора, как было сказано выше, напряжение питания на параметрический стабилизатор подается через диод, например, КД209А, а между выводом коллектора VT5 и общим проводом необходимо включить оксидный конденсатор на 470 мкФ.

На рис. 1.37 представлена схема устройства управления освещением, предназначенного для работы в цепи переменного тока напряжения 220 В. Его работа во многом аналогична устройству, выполненному по схеме рис. 1.35. В этом варианте применен более высоковольтный полевой МОП-транзистор, изменена цепь питания микросхемы и узел индикации. Светящийся светодиод HL1 показывает, что устройство подключено к напряжению сети 220 В.

Рис. 1.37

Чтобы предотвратить мерцание лампы, когда яркость ее свечения минимальна, уменьшением емкости конденсатора СЗ увеличена частота генерации микросхемы. Конденсатор С6 - фильтр питания, необходим для снижения пульсаций выпрямленного напряжения на диоде VD2, дестабилизирущем совместную работу микросхемы и транзистора VT1. Варистор R10 защищает полевой транзистор от пробоя при импульсных всплесках напряжения сети. Если будет использован варистор меньшей мощности, то его желательно подключить к выводам стока и истока транзистора VT2. Чертеж печатной платы этого устройства приведен на рис. 1.38.

В обеих конструкциях могут быть применены постоянные резисторы МЯТ, С2-23, С2-33, С1-4 соответствующей мощности. Варистор R10 можно заменить на FNR-14K471, FNR-20K431 или аналогичным. Оксидный конденсатор С1 использован с малым током утечки типа К52-2. На его месте можно применить и другие танта-ловые или ниобиевые конденсаторы с малым током утечки во всем интервале рабочих температур. Хорошо работают и обычные оксидные конденсаторы на рабочее напряжение 35...63 В фирм RUBYCON, SAMSUNG, DON. Попытки использовать конденсаторы типа К50-35 окажутся безуспешными. Если нет ограничений в габаритах конструкции, не исключено и даже предпочтительно применение полиэтилентерефталатных конденсаторов большой емкости.

Рис. 1.38

Конденсатор С7 на рис. 1.37 типа К73-17, К73-24, К73-50, К73-56. Остальные - неполярные конденсаторы типов К10-17, К10-7, КМ-5, КМ-6. Диоды КД522Б можно заменить любыми из КД510, КД521, КД103, 1N4148. Стабилитрон Д814Д заменяется на КС213Б, КС213Ж, КС512А, 1N6002B, 1N6003B. Трехамперный диодный мост BR310 при работе с нагрузкой, потребляющей ток до 1 А, на теплоотвод можно не устанавливать. Его можно заменить на BR34-BR38, КВРС104-КВРС110 или четырьмя диодами 1N5404-1 N5408, Д246-Д248 (А, Б), КД202 (К, М, Р). Светодиод L57EGW можно заменить прямоугольным L117EGW, но его яркость свечения примерно вдвое меньше. Светодиод L383SRDT красного цвета свечения с яркостью около 70 мкд, выполненный в пятимиллиметровом прямоугольном корпусе, заменим любым из серий L1503, L1513, АЛ307, КИПД15, КИПД21, КИПД66. Транзисторы КТ3107И можно заменить любыми с коэффициентом передачи тока базы не менее 200 из серий КТ3107, SS9015, ВС307, 2SA1174. Транзистор КТ3102Г можно заменить любым из КТ3102, SS9014, ВС547, 2SC2784, 2SC1222. Полевой транзистор IRF540 имеет сопротивление открытого канала не более 0,08 Ом и способен работать при токе стока до 25 А. При таком токе потери напряжения и мощности на нем составят 2 В и 50 Вт, что слишком много. Поэтому максимальный ток нагрузки ограничен значением 8 А. Этот транзистор обязательно устанавливается на теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности не менее 40 см2 . При необходимости используются изолирующие прокладки. Его можно заменить на аналогичные IRF541, BUZ10, BUZ11, BUZ27, КП723 (A-В), КП746 (А, Б). Для большего тока нагрузки можно использовать КП789А, BUZ111S. Полевой р-канальный транзистор 1RF9540 при токе нагрузки до 3 А можно заменить на МТР12Р10, КП785А или двумя IRF9640 в параллельном включении. Высоковольтный КП707В2 при токе нагрузки до 1 А можно заменить любым из серий КП707, КП777 или импортными IRF440, IRF442, , IRF840 BUZ213, BUZB82. Во всех случаях для получения большей нагрузочной способности можно использовать параллельное включение двух-трех однотипных полевых транзисторов.

Токовыравнивающие резисторы не требуются. Можно применить более дорогие, зато гораздо более мощные полевые транзисторы, например, SMW14N50F (500 В, 56 А, 180 Вт), IRG4PC50F (600 В, 70 А, 200 Вт). При необходимости увеличивают размеры теплоотвода. Микросхему можно заменить любым импортным биполярным аналогом 555 или более экономичной XR-L555M.

Конструкция устройства, выполненного по схеме рис. 1.35, в автомобильном варианте исполнения должна быть рассчитана на жесткие условия эксплуатации [8, 10]. Увеличив сопротивление резистора R12 (см. рис. 1.35) до 3,6 кОм и установив VT5 более мощный, например, КТ608, КТ630, 2SC2331, напряжение питания можно увеличить до 24 В (большегрузные автомобили). При наладке устройства, выполненного по схеме рис. 1.37, необходимо помнить, что все его элементы находятся под напряжением осветительной сети, и соблюдать необходимые меры осторожности.

Для настройки устройств, выполненных по приведенным схемам, удобно пользоваться приспособлением, состоящим из последовательно включенных маломощной динамической головки, конденсатора на 0,68 мкФ и резистора на 1,5 кОм. Получившийся пробник одним проводом подключают к выв. 3 DA, другим - к минусовому проводу питания. Если при отключении кнопкой SA1 питания нагрузки генерация DA1 не будет срываться, то нужно или применить транзистор VT1 с большим коэффициентом передачи тока базы, или заменить конденсатор С1 на экземпляр с меньшим током утечки. Временные значения задержки включения/выключения зависят от параметров R3, R4, С1. Устанавливая эти элементы с другими номиналами, можно легко варьировать динамикой зажигания и погасания ламп накаливания. Если в качестве нагрузки будут использоваться галогенные лампы, желательно, чтобы время их погасания не превышало нескольких секунд.

Оба устройства можно превратить в регуляторы мощности, если коллектор VT1 отключить от его цепи, а последовательно с резистором R6 включить переменный резистор на 220 кОм в реостатном включении - к R6 и к общей точке соединения R7, СЗ. При таком варианте использования, для полевого транзистора может потребоваться более массивный теплоотвод.

Литература: А. П. Кашкаров, А. Л. Бутов - Радиолюбителям схемы, Москва 2008