Импульсный блок питания на транзисторах и таймер на КР512ПС10 (12В-1,2А)

Для экономии электроэнергии, увеличения срока службы радиоаппаратуры и повышения безопасности её использования целесообразно ограничивать время работы различных аппаратов от электросети 230 В переменного тока. Для реализации такой функции потребуется таймер, который после истечения заданного времени обесточит подключенную к нему нагрузку.

Конструкция, о которой пойдёт речь, представляет собой два различных устройства, электрически соединённые вместе - аналоговый таймер и импульсный блок питания.

К выходу таймера можно подключить и другие аппараты, рассчитанные на питание от напряжения сети 230 В, например, блоки питания оргтехники, видеопроигрыватели, энергосберегающие электролюминесцентные и светодиодные осветительные лампы, зарядные устройства, мобильные телевизоры, фоторамки.

Возможно также подключение к этому таймеру обычных трансформаторных БП, сетевых электропаяльников, ламп накаливания и другой нагрузки, потребляющей мощность до 30 Вт.

Этот таймер особенно удобно применять на железнодорожном и автотранспорте для ограничения времени работы потребителей электроэнергии, работающих от преобразователей напряжения постоянного тока в 230 В переменного тока, что экономит ресурс бортовых и резервных аккумуляторов и снижает нагрузку на автономные генераторы напряжения.

Схема реле времени

Принципиальная схема реле времени, которое отключает питание нагрузки спустя заданное время, показана на рис. 1. Сердцем таймера является отечественная интегральная микросхема КР512ПС10, представляющая собой RC-генератор и управляемый делитель частоты, изготовлена по КМОП-технологии, содержит 801 интегральный элемент [1, 2].

Эта микросхема редко используется в радиолюбительских конструкциях, а между тем, на её основе можно быстро и легко разрабатывать и изготавливать различные стабильные таймеры на любой вкус для очень широкого круга задач [3 - 6].

Особенностью таймеров, построенных с применением микросхем КР512ПС10, является возможность получения стабильных выдержек большой длительности, что обычно невозможно получить с помощью традиционных таймеров, время выдержки в которых задаётся с помощью RC зарядной-разрядной цепи - стабильное время выдержки таких таймеров редко превышает несколько десятков минут.

Время выдержки этого таймера можно установить в диапазоне от 1 до 10 часов. Напряжение сети поступает на элементы устройства через замкнутые контакты выключателя SA1, предохранитель FU1 (плавкий или высоковольтный самовосстанавливающийся) и дроссель L1. Дроссель L1 - «особенный», он не только входит в состав помехоподавляющего фильтра L1RU1C1, но и защищает диодный мост VD1, полевой транзистор VТ1 от вероятных бросков тока в момент подачи напряжения на подключенный в качестве нагрузки импульсный источник питания.

Бросок тока, который может достигать десятков ампер, происходит из-за зарядки в БПИ конденсаторов помехоподавляющего фильтра и зарядки конденсаторов фильтра выпрямленного сетевого напряжения.

К сожалению, не во всех промышленных и самодельных БПИ установлены резисторы или терморезисторы, ограничивающие пусковой ток включения. Чтобы дроссель L1 эффективно выполнял функцию ограничения пускового тока включения нагрузки, его обмотка должна иметь сопротивление в несколько единиц Ом.

Напряжение питания управляющих узлов таймера формируется с помощью цепочек R7VD3 и R8VD4. Светящийся светодиод HL2 сигнализирует о подключении таймера к сетевой розетке. Для управления мощным высоковольтным полевым транзистором VТ1 используется напряжение +9,5... 12В, которое формируется стабилитроном VD5.

Микросхема DD1 питается напряжением +4,9...5,1 В, которое задаётся стабилитроном VD6.

При включении напряжения питания таймера счётчики DD1 сбрасываются благодаря цепи сброса C2R1. На выходе 9 DD1 появляется лог. 0, открывается VТ2, открывается VТ1, на нагрузку поступает напряжение питания переменного тока. DD1 включена как генератор-делитель частоты на 3686400 (2048*30*60). Соответственно, чтобы время выдержки составило 1 час (низкий уровень на выв.

9 DD1, частота RC генератора должна быть 512 Гц. Когда после окончания действия импульса сброса генератор DD1 отработает 1843200 тактов, низкий уровень на выв. 10 DD1 сменится на высокий, счётчики DD1 остановятся.

Рис.1. Принципиальная схема таймера для нагрузок с напряжением 220В.

На выв. 9 DD1 установится логическая 1, VT2, VT1 закроются, нагрузка будет обесточена, HL1 погаснет. Вывод 9 микросхемы КР512ПС10 выполнен по схеме с открытым стоком. Резистор R2 уменьшает вероятность повреждения DD1 при разряде через кнопку пуска SB1 статического электричества, потенциал тела человека в движущемся транспорте может превышать 50 кВ. Диоды VD2 и VD7 уменьшают вероятность повреждения полевого транзистора VТ1.

Время выдержки задают с помощью переменного резистора R4, при левом по схеме положении движка переменного резистора R4 частота генератора будет 512 Гц, а при правом, когда сопротивление R4 максимально, частота уменьшится до 50...51 Гц, время выдержки таймера составит около 10 часов.

Для запуска или перезапуска таймера необходимо кратковременно замкнуть и разомкнуть контакты кнопки SB1. Отсчёт начнётся с момента размыкания контактов. Кратковременные (до нескольких десятков минут) отключения напряжения сети 230 В не приведут к сбросу счётчиков DD1.

Это означает, что не произойдёт самопроизвольного перезапуска таймера после его остановки. Если отключение напряжения сети произошло до отработки таймером времени выдержки, то работа счётчиков и генератора DD1 будет возобновлена после включения напряжения сети.

Таймер был изготовлен на монтажной плате размером 55x38 мм, монтаж навесной, слаботочные цепи выполнены проводом МГТФ-0,03. Навесной монтаж в компактной конструкции с сетевым питанием значительно снижает вероятность самовозгорания монтажной платы из-за наличия близко расположенных печатных дорожек с большой разностью потенциалов, ввиду отсутствия таковых.

Также удешевляется и ускоряется процесс изготовления несложной конструкции. Корпус таймера - пластмассовая коробка размером 60x45x40 мм (без выступа и штырей) от сетевого адаптера - активная вилка.

Схема импульсного блока питания

Принципиальная схема импульсного блока питания, используемого совместно с таймером, показана на рис. 2. Это восстановленная по печатной плате схема источника питания промышленного изготовления типа FJ-SW1210X, который ранее использовался для питания «автомобильного» телевизора от сети переменного тока.

Обозначения дополнительно установленных деталей начинаются с цифры «1». Схема блока питания относительно стандартная. Напряжение сети переменного тока поступает на мостовой диодный выпрямитель D1 - D4 через помехоподавляющие дроссели 1L1, 1L2, терморезистор RT1 и плавкий предохранитель FUSE. Конденсатор С102 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения.

На мощном высоковольтном полевом транзисторе Q102 собран узел преобразователя напряжения. Демпфирующая цепочка реализована на D107, R102, С103. Резистор R105 - датчик тока Q102.

При росте тока через открытый переход Q102, растёт напряжение на выводах резистора R105. Когда оно становится выше 0,7 В, Q1 открывается и шунтирует затвор - исток Q102. Полевой транзистор закрывается.

Резистор R101 нужен для запуска преобразователя после подачи напряжения питания. Стабилитрон ZD1 защищает полевой транзистор от пробоя изоляции затвора. На интегральной микросхеме ІС3 реализован узел стабилизации выходного напряжения, которое задаётся резисторами R202, R201.

Чем больше сопротивление R202, тем выше выходное напряжение блока питания.

Если по различным причинам выходное напряжение БП стремиться увеличиться, то растёт ток через светодиод оптрона ІС1. Это приводит к увеличению тока через фототранзистор оптрона, что приводит к открыванию Q101, таким образом осуществляется стабилизация напряжения на выходе БП.

При неисправности цепи стабилизации возможен мгновенный выход из строя диода Шоттки D201. Конденсаторы С201 и С203 сглаживают пульсации выпрямленного напряжения 12 В. Конденсатор С202 предотвращает самовозбуждение ІС1. Светодиод HL1 светит при наличии напряжения на выходе БП.

Рис.2. Принципиальная схема импульсного блока питания на напряжение 12В и ток 1,2А.

Детали и конструкция

Постоянные резисторы могут быть типа С1-4, С1-10, С1-14, С2-23, МЯТ, РПМ и аналогичные соответствующей мощности. Переменный резистор R4 предпочтительнее применить малогабаритный импортный. При использовании отечественного следует учитывать, что «наши» переменные резисторы могут иметь отклонение более 40 % от указанного на корпусе номинала, что усложнит настройку.

Автор применил импортный переменный резистор сопротивлением 99,2 кОм от узла настройки на канал от телевизора-радиоприёмника «Siesta». Ось применённого резистора пластмассовая, на неё надета регулировочная ручка из полистирола.

Дисковый варистор MYG10-471 можно заменить на FNR-10K471, FNR-14K471, INR14D471, INR14D511. Все дроссели малогабаритные промышленного изготовления от компьютерных устройств.

Если сопротивление обмотки дросселя L1 будет меньше 4 Ом, то последовательно с ним нужно включить проволочный резистор мощностью 2 Вт, если больше 7...8 Ом, то, возможно, придётся уменьшить максимальную мощность подключаемой нагрузки. Конденсаторы С1, С3 - С6 - высоковольтные керамические. Конденсатор С8 - SMD, устанавливают как можно ближе к выводам питания DD1.

Оксидные конденсаторы - импортные аналоги К50-68. Конденсатор С7 - плёночный К73-17, К73-24 или импортный аналог.

Диодный мост G2SBA60 рассчитан на ток 2А и напряжение 600 В, можно заменить на GBL06, RBV-406FI, G2SB60, или, например, на четыре выпрямительных диода 1N5406, КД226Г,1 N4006, КД243Ж, КД247Д. Этими же диодами можно заменить диоды 1N4005, 1N4007. Вместо диода FR107 подойдёт UF4007, FR157, FR207, FM207. Диод Шотки SR360 можно заменить на SR306 или MUR460, UF5403, FR303G, SRP300J.

Диод 1SS176S можно заменить на любой из серий 1 N914, 1 N4148, КД512,КД521, КД522.

Стабилитрон GZS12Z можно заменить на 1N4742A, BZV55C-12, TZMC-12 или отечественный 2С212Ц, КС212Ц. Вместо стабилитрона BZV55C-18 подойдёт 1N4746A, TZMC-18. Стабилитрон GZC5.1Z можно заменить на 1N4733A, BZV55C-5V1, TZMC-5V1.

Можно попробовать установить на место VD6 отечественный стабилитрон 2С151Т1. При установке на место ZD1 и, или VD5 отечественных стабилитронов, можно получить неработающую конструкцию или повредить из-за перегрева мощные полевые транзисторы.

Светодиоды RL30-CB744D синего цвета свечения и RL30-DR344S красного - с повышенной светоотдачей. Можно заменить любыми аналогичными, например, из серий КИПД21, КИПД40, КИПД66, L-1513.

Одним из таких светодиодов можно заменить АЛ307К. Вместо оптрона РС817 подойдёт любой четырёхвыводный РС817, PS817S, PS2501-1, РС814, РС120, РС123SFH617А-2, LTV817.

Транзистор 2SA1266 можно заменить на любой из серий SS9015, ВС557, КТ3107, КТ6112. Вместо КТС9013 может работать любой из ВС547, SS9013, SS9014, 2SC1815, КТ3102, КТ645, КТ6111.

Основное требование к VT2 - малый обратный ток коллектора. Полевой транзистор VT1 при мощности нагрузки до 30 Вт работает без теплоотвода. При мощности нагрузки 16 Вт (лампа накаливания) падение напряжения на открытом канале сток-исток не превышает 50 мВ, а с нагрузкой 60 Вт не более 200 мВ. Вместо 2SK1118 можно установить BUZ40B, IRFP450, IRF450, TSD2M450V, КП787А.

Лучшим вариантом на место VT1 будет современный полевой транзистор SPP20N60S5 или STW20NB50, MTW20N50E, SPW47N60C3. Вместо полевого транзистора SSS6N60A подойдёт SSS7N60B, SSS6N60A, SSP10N60B, P5NK60ZF, 2SK2562, P4NK60ZFP. При монтаже полевых транзисторов их необходимо защищать от пробоя статическим электричеством.

Кнопка SB1 любая малогабаритная со свободно разомкнутыми контактами без фиксации положения с пластмассовым толкателем. Если у кнопки есть металлическая обойма, то её соединяют с «минусом» VD1. Этим уменьшается вероятность негативного воздействия на DD1 разряда статики при приближении пальца к толкателю кнопки.

Вместо клавишного выключателя KCD-2011 подойдёт MR21, SWA206A, KCD1-101. Вместо микросхемы TL431A подойдёт любая в корпусе ТО-92 из LM431ACZ, AZ431, AN1431T.

Налаживание

Первичную настройку таймера производят без его подключения к сети. Для этого, через резистор 820 Ом на стабилитрон VD5, соблюдая полярность, подают напряжение 15 В постоянного тока. После чего, установив движок R4 в левое по схеме положение, подбором С7 устанавливают частоту генератора 512 Гц.

Затем производят градуировку шкалы переменного резистора, нанося на корпусе таймера цветные метки. Значения частоты генератора для каждого часа выдержек указаны в таблице.

Для каждой метки шкалы сверлом 1,2 мм высверливают небольшое углубление, которое заполняется каплей цветного лака для ногтей. Таким образом, получается долговечная шкала. Затем, отсоединив источник питания постоянного тока, при отключенной нагрузке на таймер подают напряжение сети. Проверяют напряжение на VD5, VD6.

Если при светящемся HL1 напряжение на VD5 меньше 9 В, а на VD6 меньше 4,8 В, то, возможно, были применены или некачественные стабилитроны, или конденсаторы С9, С10 с большим током утечки, или дефектный экземпляр DD1. Если всё нормально, к таймеру можно подключить нагрузку.

Для удобства проверки работоспособности устройства вывод 12 DD1 можно временно подключить к выв. 13, тем самым, подав на него уровень логического 0. Тогда таймер будет отсчитывать не часовые, а минутные интервалы.

Бутов А.Л. РК-2016-03.

Литература:

1. Бирюков С. Генератор-делитель частоты КР512ПС10. - Р2000, № 1, стр. 51, 52.
2. Новаченко И. В., Телец В.А., Редькина Л.И., Краснодубец А.Ю. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры., 1992, стр. 105- 110.
3. Зуев Е., Бутов А. «Вечерний свет». - Р2002, № 5, стр. 33, 34.
4. Иванов А. Реле указателя поворотов на КР512ПС10. - Р1993, № 7, стр. 35.
5. Иванов А. Генератор прямоугольных импульсов инфранизкой частоты на КР512ПС10. - Р1991, № 12, стр. 32.
6. Бирюков С. Применение микросхемы КР512ПС10. - Р2000, № 8, стр. 44.
7. Бутов А. Двуполярный блок питания с таймером. - РК2014, № 10, стр. 13- 15.
8. Бутов А. Универсальное реле времени на полевых транзисторах. - РК2002, № 10, стр. 30 - 32.