2000.05_Powolny ściemniacz 220V.pdf

Powolny

ściemniacz 220V

2421

Do czego to służy?

We wcześniejszych numerach EdW przedsta−

wione były dwa układy ściemniaczy czy też

opóźniaczy wyłączenia żarówek samochodo−

wych. Nadsyłane miniankiety wskazują, że

Czytelnicy EdWsą zainteresowani podobnym

układem ściemniacza sieciowego, sterującego

żarówkami na napięcie 220V.

Chodzi o to, by po rozwarciu styków zwy−

kłego wyłącznika żarówka nie zgasła od razu,

tylko zmniejszała swą jasność stopniowo

w dłuższym czasie. Czytelnicy chcieliby za−

stosować taki układ na przykład w pokoju

dziecinnym. Wieczorem, gdy dzieci mają iść

spać, po rozwarciu styków wyłącznika opisy−

wany układ elektroniczny stopniowo wygasi

żarówkę w ciągu kilkudziesięciu sekund lub

kilku minut. Układ miałby być też stosowany

wwielu innych miejscach, na przykład do ste−

rowania oświetlenia klatki schodowej czy ze−

wnętrznego oświetlenia budynku.

Wykorzystaną ideę pokazuje rysunek 1 .

Dużą zaletą układu jest fakt, że ściemniacz

jest dołączany tylko dwoma przewodami.

Jak to działa?

Schemat ideowy układu pokazany jest na ry−

sunku 2 . Kluczową rolę pełni tu tyrystor Ty1

zasilany przez mostek D4...D7. Tyrystor ten

jest sterowany fazowo.

Działanie układu może się wydać trudne

do zrozumienia. W rzeczywistości jest dość

proste – można je prześledzić porównując ry−

sunki 1 i 2 z rysunkiem 3 . Gdy wyłącznik

Wjest zwarty, żarówka świeci pełną jasnością.

Co bardzo ważne, w tym czasie w układzie

ściemniacza nie występuje żadne napięcie.

Dopiero po rozwarciu wyłącznika w układzie

ściemniacza pojawia się napięcie. Można się

spodziewać, że po wyprostowaniu przez mo−

stek D4...D7 na tyrystorze i układzie sterują−

cym pojawiła się wyprostowana sinusoida (za−

znaczona na rysunku 3a linią przerywaną).

W rzeczywistości przebieg napięcia na tyry−

storze będzie miał inny kształt. Przecież we−

dług założeń po rozwarciu wyłącznika W ża−

rówka ma nadal świecić ipomału gasnąć. Pra−

cą żarówki ma wtym czasie sterować tyrystor.

Jeśli tyrystor zostanie otwarty, napięcie na nim

spadnie (do ok. 1V), a pojawi się na żarówce.

Już tu widać, że także w pierwszej chwili

po rozwarciu styku W tyrystor nie może zo−

stać na stałe otwarty. Wtedy bowiem napięcie

na przewodzącym tyrystorze byłoby rzędu

1Vizdecydowanie nie wystarczyłoby do zasi−

lenia układu wyzwalania tyrystora.

Trzeba było tak zaprojektować układ, by

w pierwszej części każdego półokresu tyrystor

był zatkany. Wtedy przez diodę D1 i rezystor

R1 naładuje się kondensator C1. Będzie on

źródłem zasilania dla obwodów sterowania

z tranzystorami T1...T5. Natomiast w drugiej

części każdego półokresu tyrystor powinien

zostać otwarty, by przez żarówkę popłynął

prąd. Opóźnienie włączenia tyrystora powinno

z czasem rosnąć, by żarówka stopniowo gasła.

Jak pokazuje zielona linia na rysunku 3a,

w pierwszej chwili po rozwarciu styku W,

dzięki diodzie D1 i małemu rezystorowi ogra−

niczającemu R1, na kondensatorze C1 pojawi

się znaczne napięcie, rzędu 120...200V. Ele−

menty R2, D8, D9 tworzą prosty stabilizator

zasilający obwody sterujące napięciem około

24V. Pusty kondensator C2 zacznie się poma−

łu ładować przez rezystor R3, R4 i obwody

bazy T1. Żółta dioda świecąca D3 pracuje tu

w roli diody Zenera. W pierwszej fazie łado−

wania C2 ogranicza ona napięcie na bazie T1.

Dzięki temu tranzystor T1, pracujący jako

źródło prądowe, ładuje kondensator C3 prą−

dem wyznaczonym przez napięcie na diodzie

D3 (około 2V) i wartość R5. Tranzystor T2

jest wtedy zatkany. Kondensator C3 w ciągu

około 2,5...4 milisekund ładuje się do napięcia

przekraczającego 12V i wyzwala impulsator

zbudowany z tranzystorów T4, T5. Gdy na−

pięcie na C3 wzrośnie powyżej 12V, wpewnej

chwili zacznie się otwierać tranzystor T5. Prąd

kolektora T5 popłynie częściowo przez R8,

a częściowo w obwodzie bazy T4, co otworzy

T4. Z kolei prąd kolektora T4 jest w całości

prądem bazy T5. Wystąpi więc bardzo silne

dodatnie sprzężenie zwrotne. W rezultacie

przez oba tranzystory T4, T5 popłynie znacz−

ny prąd. Kondensator C3 rozładuje się przez

R7, T4, T5 i obwód bramki tyrystora Ty1. Ty−

rystor zostanie otwarty i zacznie przewodzić

prąd. Napięcie na nim spadnie do ok. 1V, ana−

pięcie między punktami A, B do około

Rys. 1 Układ połączeń

Elektronika dla Wszystkich

2...2,5V. Dzięki diodzie D1 napięcie na kon−

densatorze C1 nadal będzie duże, a na diodzie

D8 cały czas będzie się utrzymywać napięcie

rzędu 24V. Tyrystor, jak wiadomo, będzie

otwarty do czasu, gdy przestanie przezeń pły−

nąć prąd. Nastąpi to w chwili najbliższego

przejścia napięcia sieci przez zero.

Tu należy koniecznie dodać, że kondensa−

tor C3 na początku każdego półokresu sieci

jest całkowicie rozładowany przez tranzystor

T2. Następuje to dzięki obwodowi R10...R12.

Gdy napięcie na tyrystorze spadnie (czy to

wskutek jego włączenia, czy podczas przej−

ścia, napięcia sieci przez zero), napięcie na re−

zystorze R12 staje się na tyle małe, że przesta−

je przewodzić tranzystor T3. Wtedy otwiera

się tranzystor T2 pod wpływem prądu bazy

płynącego przez R6 i następuje szybkie rozła−

dowanie C3. Gdy na początku każdego póło−

kresu tyrystor się wyłącza, a napięcie sieci za−

czyna rosnąć, tranzystor T3 się otwiera i blo−

kuje T2, pozwalając na łado−

wanie C3 prądem tranzysto−

ra T1.

W tym czasie kondensa−

tor C2 pomału się ładuje.

Z czasem napięcie na nim

jest coraz większe, anapięcie

na rezystorze R3, a także na

R4, coraz mniejsze. Mniejsze

napięcie na R4 to mniejszy

prąd płynący przez T1, ładu−

jący C3. Jeśli prąd ładowania

C3 jest mniejszy, to nałado−

wanie go do napięcia ponad

12V i wyzwolenie tyrystora

będzie następować po czasie

dłuższym niż wspomniane 4

milisekundy. Tyrystor będzie

włączany na coraz krótszy

czas. W końcu kondensator

C2 będzie naładowany na ty−

le, że napięcie na R4 i prąd

T1 nie wystarczą do nałado−

wania C3 przed końcem danego półokresu ity−

rystor nie będzie już wyzwalany. Żarówka

stopniowo zgaśnie.

Wtym czasie na tyrystorze będzie występo−

wać pełne (wyprostowane) napięcie sieci, jed−

nak ze względu na mały (lub żaden) prąd łado−

wania C3, tyrystor nie będzie wyzwalany.

Po naciśnięciu wyłącznika W żarówka

znów zaświeci pełnym blaskiem. Wszystkie

napięcia w układzie ściemniacza spadną do

zera. Aby stosunkowo szybko rozładować

kondensatory C1, C2 po zwarciu wyłącznika

W, przewidziano dodatkowy rezystor R14

i diodę D2. Bez nich kondensatory, zwłaszcza

C2, rozładowywałyby się bardzo długo,

aukład nie byłby gotowy do następnego cyklu

płynnego wyłączania.

Jak wynika z podanego opisu, czas powol−

nego gaśnięcia żarówki wyznaczony jest

głównie przez pojemność C2.

Można śmiało zmieniać wartość pojemno−

ści C2, by uzyskać potrzebny czas gaszenia.

Trzeba tylko pamiętać, że przy dużych pojem−

nościach C2 układ powróci do stanu gotowo−

ści dopiero po dłuższym czasie, gdy C2 i C1

rozładują się przez R14.

Rys. 2 Schemat ideowy

Rys. 3 Przebiegi w układzie

Przedstawiany projekt nie jest prze−

znaczony dla początkujących. W ukła−

dzie występują napięcia groźne dla życia

i zdrowia. Osoby niepełnoletnie mogą go

wykonać i uruchomić jedynie pod opie−

ką wykwalifikowanych osób dorosłych.

Elektronika dla Wszystkich

Montaż i uruchomienie

Układ można zmontować na płytce drukowa−

nej, pokazanej na rysunku 4 . Tym razem fo−

tografia modelu nie będzie specjalnie użytecz−

na, ponieważ po serii testów układ został zmo−

dyfikowany, a płytka w istotnej mierze zmie−

niona w stosunku do prototypu. Jednak mon−

taż nie powinien nikomu sprawić trudności.

Układ nie zawiera żadnych szczególnie wraż−

liwych elementów – mogą one być montowa−

ne w dowolnej kolejności. Praktyka pokazuje,

że montaż warto zacząć od zwory i najmniej−

szych elementów: rezystorów i diod.

Kto zechce prezentowany układ wykorzy−

stać nie tylko do eksperymentów (np. w ra−

mach szkolnej pracowni elektronicznej), po−

winien we własnym zakresie postarać się

o zrealizowanie powyższych zaleceń, a także

obowiązujących przepisów bezpieczeństwa.

Moduł ściemniacza należy włączać we−

dług rysunku 1 – inny sposób spowoduje

uszkodzenie tyrystora idiod prostowniczych.

Pierwsze próby należy przeprowadzić z kon−

densatorem C2 o pojemności 10

wartość. Można zmniejszać pojemność C2

i sprawdzić, przy jakiej wartości minimalnej

tyrystor jest jeszcze wyzwalany (bez zewnę−

trznego filtru przeciwzakłóceniowego LC).

Można też sprawdzić wpływ dołączonego,

zewnętrznego filtru przeciwzakłóceniowego

LC, a właściwie indukcyjności, na minimal−

ny czas trwania impulsu wyzwalającego ty−

rystora (zależny od R7, C3), zapewniający

stabilną pracę. Można też zmieniać czas ście−

mniania przez modyfikację wartości R3

(22kΩ ...1MΩ ) oraz przebieg ściemniania

przez modyfikację wartości R4

(10k

Szczegółowa analiza układu, badanie po−

szczególnych przebiegów iewentualne zmia−

ny wartości elementów mogą dostarczyć

wielu doświadczeń. Oczywiście takie próby

można przeprowadzać tylko przy zachowa−

niu szczególnych środków bezpieczeństwa

i pod opieką nauczyciela.

F i 220

Tylko dla

dociekliwych

i zaawansowanych

W zamieszczonym wcześniej opisie

podano tylko podstawowe informacje

na temat działania układu. Jak wspo−

mniano, z podanymi wartościami ele−

mentów układ nie wymaga żadnej re−

gulacji i od razu powinien pracować.

Niecodzienna zasada działania zwią−

zana z dołączeniem modułu tylko za

pomocą dwóch przewodów powoduje,

że w układzie występują interesujące

zależności, charakterystyczne dla techniki ty−

rystorowej.

Warto polecić ten układ do prób na zaję−

ciach pracowni elektronicznej w szkołach

średnich i na uczelniach.

Pożyteczne okaże się zbadanie możliwo−

ści zmniejszania czasu ładowania C2 przez

zmniejszanie rezystancji R5. Wystąpi tu

istotne ograniczenie – czas ten nie może być

zbyt krótki, bo napięcie sieci i napięcie na

C1 nie zdąży wzrosnąć do poziomu gwaran−

tującego utrzymanie na diodach D8, D9 na−

pięcia około 24V. W praktyce oznacza to

także, że po rozwarciu wyłącznika Wżarów−

ka na pewno nie może świecić pełnym bla−

skiem, tylko nieco przygaśnie. Na ile przy−

gaśnie? Jak jasność świecenia zależy od ką−

ta zapłonu? Warto sprawdzić (przy zachowa−

niu odpowiednich środków bezpieczeń−

stwa), na ile zmieni się napięcie na żarówce

i na diodach D8, D9 przy zastosowaniu róż−

nych wartości R5 w różnych fazach ście−

mniania. Czy rzeczywiście tuż po rozwarciu

wyłącznika W na diodach D8, D9 pojawia

się napięcie zbliżone do 24V? A może jest

znacząco mniejsze? Jak na to wpływa war−

tość R2? Czy ma to wpływ na czas ładowa−

nia C3 i jasność żarówki?

Układ jest też dobrym przykładem wyko−

rzystania zastępczej struktury tyrystorowej

ztranzystorami T4, T5. Można badać właści−

wości takiego obwodu przy różnych warto−

ściach R7, R8, R9. Można spróbować zmie−

nić diodę D10 na rezystor. Można sprawdzić,

czy oba rezystory R8, R15 są konieczne

i w jakich granicach można zmieniać ich

Piotr Górecki

Zbigniew Orłowski

Wykaz elementów

Rys. 4 Schemat montażowy

Kondensatory

C1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..2,,2µF//400V

C2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10µF//25V

C3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..220nF

Dodattkowo jjako C2 .. .. .. .. ..47 µµ F//25V orraz 220 µµ F//25V

Układ zmontowany ze sprawnych ele−

mentów nie wymaga uruchamiania i od razu

powinien poprawnie pracować (o ile tylko

kondensator C2 nie jest nadmiernie rozfor−

mowany – zaformuje się pozostając jakiś

czas pod napięciem). Urządzenie nie powin−

no sprawić żadnych kłopotów podczas mon−

tażu – pod tym względem zasługuje na co

najwyżej jedną gwiazdkę. Stopień trudności

został wyceniony na dwie gwiazdki z zupeł−

nie innego powodu.

Po pierwsze taki układ połączony jest

bezpośrednio z siecią energetyczną, i ze

względu na ryzyko porażenia nie jest prze−

znaczony dla najmłodszych i początkują−

cych. Po drugie jest to jedynie układ ekspe−

rymentalny o interesującej funkcji, a nie fi−

nalny produkt rynkowy. Układ umieszczony

jest na dużej płytce, która nie jest przewi−

dziana do jakiejś konkretnej obudowy.

Wukładzie finalnym należałoby dodać ultra−

szybki bezpiecznik (taki z piaskiem) oraz

filtr przeciwzakłóceniowy. Co prawda bez−

piecznik, nawet bardzo szybki (z piaskiem

w rurce) nie gwarantuje pełnej ochrony tyry−

stora, jednak w układach fabrycznych zwy−

kle bywa stosowany.

Przeprowadzone próby wykazały, że przy

niewielkiej mocy żarówki wytwarzane za−

kłócenia nie dają osobie znać. Mimo wszyst−

ko, wukładach sterowanych fazowo zzasady

stosuje się takie filtry, choćby w postaci dła−

wika i kondensatora.

Rezystory

R1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..220 ΩΩ

R2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k

R5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..2,,2k ΩΩ

R7 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100

R8,, R9,, R12 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10k

R10,, R11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..220k ΩΩ

R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..2,,2

Półprzewodniki

D1,, D4−D7 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1N4007

D2,, D10 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1N4148

D3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LED żółłtta 3mm

D8,, D9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..diioda Zenerra 12V

T1,, T5 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..dowollny,, np.. BC558

T2−T4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..dowollny,, np.. BC548

Ty1 ..ttyrrysttorr miin.. 2A 400V np.. TO510NH (TAG9005)),,

((BT 151 //500))

Komplet podzespołów z płytką jest

dostępny w sieci handlowej AVT jako

kit szkolny AVT−2421

Elektronika dla Wszystkich

F. Potem

można zwiększyć wartość tego kondensatora

według potrzeb. Wzestawie AVT−2421 Prze−

widziano na ten cel dwa dodatkowe “elektro−

lity” o pojemności 47

...1M

R3,, R4,, R6,, R14 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k

R15 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..47k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: